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星光映射出暗物质的分布图,磁子可揭示轻质暗物质粒子?

2019-07-23  天童老僧

作者:文/虞子期

我们都知道,一个星系所形成的“引力胶”力量大小,会跟该星系的质量有直接关系。当星系的质量越大,这股力量也就越强大,哪怕是移动速度最快的星系,也无法逃脱这些力量的牵引。早在 20世纪30年代的时候,科学家们就通过星系团的观测发现,在宇宙中存在一种结构庞大的物质,但它们并没有与光发生相互作用。从研究人员之前所观察到的质量来看,宇宙中那些数十亿年就应该被分裂的星系,被无法看到的物质聚集在了一起,而这一切疑惑,只有暗物质才能解释。

星光映射出暗物质的分布图,磁子可揭示轻质暗物质粒子?

宇宙中最具有神秘色彩的事物,暗物质一定算得上是其中一个,它的质量达到了宇宙总质量的80%,其存在是解释当前宇宙结构的必要条件,并且,已经在很长一段时间内依附于星系。而那些由数以万亿计的暗物质粒子所组成的巨大“光环”,就是每个星系的栖息地 。但由于该物质只通过重力和其他物体相互作用,这让科学家们也无法直接探测其构成。但只要我们将视线放到更广阔的宇宙,总会看到很多暗物质存在的证据,因此,关于它的一切研究,都需要通过周围星系和恒星的运动来进行追踪。那么,科学家们又是如何揭开暗物质的神秘面纱?

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磁子可揭示轻质暗物质粒子

在宇宙探索领域中,捕获暗物质是科学家们的一个重要课题,世界各地的实验室都在试图通过自己的方式,捕捉到一个杂散的暗物质粒子。然而,造成放射性衰变的弱核力,不管暗物质粒子是什么都可能感觉到,科学家们建造一个的探测器,而参与实验的是大量的任何元素。但这项实验有一个前置条件,那就是暗物质粒子必须相对较重,方才足以使其在这种罕见的相互作用中敲除核子。虽然迄今为止暗物质探测器仍然没有找到这种作用的痕迹,但却因此而越来越了解什么不是暗物质。当然,没有一个确切的结果总会让人充满疑虑。科学家们又研究出了一种拟议的实验装置,即使可疑粒子本身特别轻,它可以在改变电子自旋的过程中,在材料中创建磁振,以检测到暗物质粒子的存在。

由于实验的灵敏度和相互作用的性质,这种设置可以检测轻质暗物质粒子。当一大块材料处于绝对零度的温度,所有微小的小磁棒在旋转的时候,电子都将指向同一方向;只有当温度慢慢升高后,一些电子才会开始被唤醒摆动,并随机指向相反的方向旋转。当温度升高的幅度越大,电子被卷起的次数越多,并且每次翻转都会让磁场强度相对降低。而每个翻转的旋转,都会在材料的能量中产生一丝波纹,这些摆动并不是真正意义上的粒子,但却可以看作是准粒子。因为它们跟小巧可爱的小磁铁很像,所以这些准粒子也被科学家们称为“磁子”,如果实验的一开始,就是一个非常冷的材料,并且过程中有足够的暗物质粒子撞击材料,并翻转一些旋转,那么,你就能够观察到磁铁。

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在死亡星系中暗物质有不同表现

在科学家们对暗物质晕的行为进行建模时发现,一般情况下这些结构都会形成某些形状,比如暗物质的“尖点”分布现象,在星系中心的密集暗物质球周围,也同样充满了阴云密布的物质。然而,在许多星系的行为中,似乎更多得是暗物质在绕一个“核心”的同时,也围绕着银河系的外围运行。天文学家对这样的尖端核心问题,可以通过被称为“自相互作用暗物质”(SIDM)模型解释,以说明暗物质并不在我们能够直接检测和理解的物理学的范畴,并且,它还作用于自身未知的力量。如果暗物质和普通物质之间的相互作用,和它与自身的相互作用有所不同,便能够解释暗物质是怎样从星系中心向边缘移动。但科学家们又通过新的研究表明,或许正是这样得解释使事情本身被过于复杂化。

暗物质弥补了宇宙中的大部分质量,不发光却能通过重力牵引一切,并且,大部分暗物质存在于“晕圈”或星系内的云中。科学家们对大致分为两类的16个矮星系进行了研究,它们分别是数十亿年前就已经停止形成恒星的星系,以及最近才停止形成或仍在形成恒星的星系。通过研究数据发现,往往年龄较小且活动较少的星系,它的中心区域有大量暗物质,也更倾向于有暗物质尖点,而那些更活跃的星系却只有空核心。在暗物质的行为方面,这项新发现具有重要意义,它的结果表明了暗物质加热真实存在,而在很久以前就停止形成恒星的星系中,并没有能量将暗物质从银河系中心推出。并且,这些情况下的暗物质行为方式与简单模型所预测的方式一致。

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星光映射出暗物质的分布图

如果将暗物质的庞大程度用一个生活中的实例来体现,那么,暗物质在整个宇宙中的含量,就相当于是构成你和我、岩石、树木,以及恒星等“正常物质”的六倍左右。但是,科学家们对暗物质仍然难以研究,顾名思义,由于暗物质并不会发出任何光,天文学科学家也只能通过研究星团如何扭曲其背后物体的光线,以映射出在大质量星系团中的暗物质分布情况,而这种现象就是所谓的引力透镜。那些已经从它们的自然星系中撕裂、并漂浮在巨大星系团内的恒星,便称为了暗物质的探测器。这是一种绘制神秘暗物质分布图的新方法,简而言之,科学家们通过观察暗物质对正常物质的引力作用,其中包含“正常”物质和暗物质的巨大星团,这就好比是一个宇宙放大镜,能使其背后物体的视野变形。

科学家们通过NASA哈勃太空望远镜,看到了星系团Abell S1063,并在星系团中发现了非常微弱的光线,而正是这些光线映射出了暗物质的真实分布情况。研究人员对六个不同星系团的哈勃太空望远镜图像进行了分析得出,发出内部光线的恒星提供了一种更好的方法, 天然后利用这种“引力透镜效应”来计算出了星系团中暗物质的分布。在下图的哈勃太空望远镜图像中,蓝色可见部分便显示了星系团MACS J0416中的星内光,并且,“深场图像”可以相对更容易地研究集群内光。与此同时,这也意味着在不久的将来,科学家们可以将数据集扩展到这六个星系团之外,这便意味着或许会有一些令人兴奋的可能,在未来的时间里,研究人员将研究数百个星系团,以此探测关于暗物质的更多事实。

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