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为什么我和天文学家们,都相信暗物质是存在的?

 博科园 2019-11-04

暗物质,就其本质而言,是看不见的,用望远镜也无法观察暗物质,粒子物理学家也没有通过实验发现暗物质。那么,为什么大多数科学家及主流理论都相信并支持宇宙的大部分质量是由暗物质组成,而不是由恒星、行星和我们天空中所有其他可见物体组成的常规物质?要回答这个问题,需要理解暗物质能做什么,不能做什么,理解它潜伏在宇宙中的什么地方,并意识到“暗”只是谜题的开始。

暗物质故事从速度和引力开始,在整个宇宙中,我们看到物体在引力的影响下在轨道上运行,就像地球绕着太阳转一样,太阳也绕着银河系的中心转。将天体保持在轨道上所需速度是质量和距离的函数。例如,在太阳系中,地球以每秒30公里的速度运行,而最遥远的行星则以每秒数公里的速度磨蹭。银河系非常巨大,所以太阳以每秒230公里的速度运行,尽管距离银河系中心有26700光年。然而,当我们离银河系中心更远时,恒星的轨道速度大致保持不变,这是为什么?

与太阳系不同,我们的太阳系质量是由太阳主导,银河系的质量分布在数千光年之间。当一个移动到离银河系中心更远的地方时,包围在这个半径内的恒星和气体就会增加。这个额外的质量能解释银河系中最遥远恒星的巨大速度吗?这也不完全是。在20世纪60年代,天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)测量了仙女座星系的轨道速度,距离该星系核心7万光年。值得注意的是,尽管这一距离远远超出了仙女座的大部分恒星和气体,但轨道速度仍然保持在250公里/秒左右。

这种现象也不是个别星系所独有,早在20世纪30年代,瑞士裔美国天文学家弗里茨·兹维基(Fritz Zwicky)发现,在星系团内运行的星系运动速度远远快于预期。到底怎么回事?一种可能是大量看不见的质量延伸到恒星和气体之外,这也许就是暗物质。事实上,Zwicky,Rubin和随后几代天文学家的研究表明,宇宙中的暗物质比传统物质更多(至于暗能量,那就完全是另一回事了)。值得注意的是,我们无法看到或探测暗物质提供了关于它如何行为的线索。除了引力之外,暗物质与自身和常规物质之间的相互作用一定很少。

否则我们就会检测到它发出光,并与其他粒子相互作用。由于暗物质大多单独通过引力相互作用,因此它具有一些奇怪的性质。太空中的热气云可以通过发光而失去能量,从而冷却下来。足够大质量和足够冷的气体云可以在自身引力下塌缩形成恒星。相比之下,暗物质不会因发光而失去能量。因此,虽然传统物质可以塌缩成致密的物体,如恒星和行星,但暗物质仍然更弥散,这解释了一个明显的矛盾。虽然暗物质可能主宰着宇宙的质量,但科学家并不认为在我们的太阳系中有太多暗物质。

模拟成功

由于暗物质的运动完全由引力控制,因此,通过解析和模拟来建模也相对容易。自20世纪70年代以来,已经有了暗物质结构数量的公式,这也恰好预测了大质量星系和星系团的数量。此外,模拟可以模拟整个宇宙历史中结构的形成。暗物质模拟不仅适合数据,它还具有预测能力。有没有暗物质的替代?科学家利用引力推断它的存在,但如果对引力的理解是错误的呢?也许引力在很远的距离上比我们想象的更强。

有几种不同的引力理论,莫尔德海·米尔格罗姆的修正牛顿动力学(Mond)是最著名的例子。如何区分暗物质和修正的引力?在大多数理论中,引力倾向于质量。因此,如果没有暗物质,引力就会向传统物质拉动,而如果暗物质占主导地位,那么引力将主要向暗物质拉动。所以应该很容易分辨出哪个理论是正确的,但不完全是,因为暗物质和常规物质大致上是彼此相随,但也有一些有用的例外,一起粉碎气体和暗物质的云,就会发生一些奇妙的事情。

气体碰撞形成一个单一的云,而暗物质粒子只是在引力的影响下继续移动,当星系团以极快的速度相互碰撞时,就会发生这种情况。那如何测量碰撞星系团中的引力?引力不仅对质量有这种“拉力”,而且对光也有拉力,所以扭曲的星系图像可以追踪力拉力(在相对论中这是扭曲空的结果)。在碰撞的星系团中,引力会拉向暗物质应该在的地方,而不是传统的物质。

时间的涟漪

不仅可以看到今天暗物质的影响,还可以看到遥远的过去,就在宇宙大爆炸之前。宇宙微波背景,大爆炸的余辉,可以从四面八方看到,在这宇宙大爆炸中,可以看到涟漪,时间的涟漪通过电离气体传播的结果。这些涟漪是早期宇宙中引力、压力和温度相互作用的结果。暗物质有助于引力,但不像常规物质那样对温度和压力做出响应,因此涟漪的强度取决于常规物质与暗物质的比例。正如预期的那样,卫星和地面天文台对这些涟漪的测量显示,宇宙中存在比常规物质更多的暗物质。

那有答案了吗?暗物质肯定是答案吗?大多数天文学家会说,对于我们在宇宙中看到的许多现象,暗物质是最简单和最好的解释。虽然最简单的暗物质模型存在潜在的问题,例如小型卫星星系的数量,但它们是有趣的问题,而不是引人注目的缺陷。但事实仍然是,还没有直接探测到暗物质。这并不是特别困扰科学家,因为物理学已经有了粒子的历史,这些粒子已经花费了几十年的时间才能直接探测到。如果20年后我们还没有检测到暗物质,可能会担心,但现在的暗物质理论才是真正的最佳答案。

博科园|文:Michael J. I. Brown/The Conversation

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