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「知识小站」什么是“暗物质”和“暗能量”?

2020-02-17  nj200801

由于受到科技水平的局限,在人类对于宇宙的探索过程中,依然有着许多无法解释的细节有待研究。其中最神秘的两个概念就是:暗物质暗能量

「知识小站」什么是“暗物质”和“暗能量”?

一、什么是“暗物质”?

暗物质(Dark matter)是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质,它可能是宇宙物质的主要组成部分,但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。目前已知的暗物质属性仅仅包括有限的几个方面:

(1)暗物质参与引力相互作用,所以应该是有质量的,但单个暗物质粒子的质量大小还不能确定。

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(2)暗物质应是高度稳定的,由于在宇宙结构形成的不同阶段都存在暗物质的证据,暗物质应该在宇宙年龄(百亿年)时间尺度上是稳定的。

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(3)暗物质基本不参与电磁相互作用,暗物质与光子的相互作用必须非常弱,以至于暗物质基本不发光;暗物质也基本不参与强相互作用,否则原初核合成的过程将会受到扰动,轻元素丰度将发生改变,将导致与当前的观测结果不一致。

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(4)通过计算机模拟宇宙大尺度结构形成得知,暗物质的运动速度应该是远低于光速,即“冷暗物质”,否则我们的宇宙无法在引力作用下形成目前观测到的大尺度结构。

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综合这些基本属性。可以得出结论暗物质粒子不属于我们已知的任何一种基本粒子。结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测标准宇宙学模型(ΛCDM模型)可确定宇宙中暗物质占全部物质总质量的85%占宇宙总质能的26.8%

二、“暗物质”是如何发现的?

1915年,物理学家阿尔伯特·爱因斯坦根据他的相对论得出推论:宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。根据他的计算,宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克(理论值)。但是,迄今可观测到的宇宙的密度(观测值),却比理论值小100倍。也就是说,宇宙中的大多数物质“失踪”了。这一发现是关于“暗物质”可能存在的第一个信号。

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1933年,瑞士天体物理学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度。利用位力定理,他发现星系团中星系的速度弥散度太高,仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的,因此星系团中应该存在大量的不可见的物质(这是“暗物质”可能存在的第二个信号),其质量为可见星系的至少百倍以上。

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1970年,美国天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)肯特·福特(Kent Ford)对仙女座大星云中星体旋转速度的研究 。利用高精度的光谱测量技术,他们可以探测到远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系。按照牛顿万有引力定律,如果星系的质量主要集中在星系核区的可见星体上,星系外围的星体的速度将随着距离而减小。但观测结果表明在相当大的范围内星系外围的星体的速度是恒定的。这意味着星系中可能有大量的不可见物质并不仅仅分布在星系核心区,且其质量远大于发光星体的质量总和(这是“暗物质”可能存在的第三个信号)。

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1980年之后,出现了一大批支持暗物质存在的新观测数据,包括观测背景星系团时的引力透镜效应,星系和星团中炽热气体的温度分布,以及宇宙微波背景辐射的各向异性等。大量天文学观测中发现的疑似违反牛顿万有引力的现象可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。暗物质存在这一理论也逐渐被天文学和宇宙学界广泛认可。

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2015年12月17日8时12分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空,到今天已经取得了一些值得关注的数据。我们期待着它带来遥远太空中关于“暗物质”的更多发现。

二、什么是“暗能量”?

暗能量(Dark Energy)是驱动宇宙运动的一种能量。它和暗物质都不会吸收、反射或者辐射光,所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。

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暗能量的发现过程极富戏剧性。按照宇宙大爆炸理论,在大爆炸发生之后,随着时间的推移,宇宙的膨胀速度将因为物质之间的引力作用而逐渐减慢,就像缓慢踩了刹车的汽车一样。也就是说,距离地球相对遥远的星系,其膨胀速度应该比那些近的星系慢一些。

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但1998年,美国科学家索尔·皮尔姆特(Saul Perlmutter)和澳大利亚科学家赖恩·施密特(Brian Schmidt)分别领导的两个小组,通过观测发现,那些遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。换句话说,宇宙是在加速膨胀,仿佛一辆不断踩油门的汽车,而不是像此前科学家所预测的那样处于减速膨胀状态。

这样一个完全出乎意料的观测结果,从根本上动摇了对宇宙的传统理解。那么到底是什么样的力量,在促使所有的星系或者其他物质加速远离呢?科学家们将这种与引力相反的斥力来源,称为“暗能量”。

三、关于“暗物质”和“暗能量”的一些延伸思考

根据现有理论,如果把宇宙结构看作一个“金字塔”,那么重子物质(即已知宇宙中能看到的所有的东西:星系,恒星,行星等)仅占宇宙中能量的4%,相当于金字塔顶的那一块,中间的22%暗物质,而作为塔基的74%,则由最为神秘的暗能量构成。

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这就是说,我们目前所已知的一切(从星系、恒星到原子、分子,从历史、文化到社会、科技,纷繁复杂的大千世界)全部累加在一起,也不超过宇宙总能量的4%,而我们每一个个体穷尽一生所接触到的,更是九牛一毛,沧海一粟。这让我深感到人类的渺小和无力。

尽管如此,千百年来,人类依旧如蚂蚁探路一般地在坚持追寻着科学与真理,通过不断的努力和积累,正在一块又一块地揭开着宇宙大拼图的神秘面纱。这些探索的过程既枯燥又漫长,却同时也充满了传奇一般的魅力,指引着后来人继续接近真相。

「知识小站」什么是“暗物质”和“暗能量”?

扪心自问,在这个伟大的探索过程中,平凡如我也许终究是做不出什么像样的贡献了。但是我依然可以作为这些知识成果的搬运工和传播者,让科技的光芒尽可能地照遍身边的每一寸土地~

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