宇宙的其余部分则是由被称为暗物质和暗能量的神秘物质构成的,这是我们这个时代最伟大的宇宙奥秘之一。如果看不见的东西是由质子、中子和电子组成的正常物质,那我们关于恒星和星系如何形成的理解就必定是错误的:它们永远不会足够快地瓦解,以形成最初的恒星和星系。有的时候,暗物质似乎太多,比如绕银河系运行的矮星系。但这与我们的星系形成理论告诉我们的正相反,后者说,星系中暗物质的量应当与星系的大小大致成正比。
宇宙传奇   在哈勃望远镜的镜头中:星系的舞蹈,像小丑抛球一样的黑洞喷流,引力的魔镜——这一幕幕盛大的宇宙马戏表演,让观众兴致勃勃。这股力量来自何方呢?   当哈勃望远镜在度量宇宙如何膨胀时,发现情况起了突然的变化:宇宙演进史的前半程和后半程发生了变化,宇宙膨胀的速率实际上在引力的作用下放慢了,但一种反引力的神秘力量,又使宇宙加大了油门,造成了今天宇宙加速的境况。
引力透镜:宇宙中的放大镜。充当引力透镜的星系与星系团分别被称为透镜星系与透镜星系团。星系或者星系团作为引力透镜,还会对超新星甚至单个恒星产生引力透镜效应,让观测者看到超新星或者恒星的多重像。随着观测技术的发展,天文学家不仅可以观测到被当年爱因斯坦认定为不可能被观测到的恒星级引力透镜产生的效应,还可以观测围绕恒星的行星产生的更微弱的引力透镜效应,它们被统称为“微引力透镜”。
哈勃望远镜七大科学发现。由此可见,今天的星系是由较小的星系聚集而成,而不是恰好相反,由较大的星系分裂而来,“哈勃”所拍摄的照片成为建立现代星系形成模型的关键。2003年5月7日,“哈勃”对仙女座大星系外围的星系晕(星系晕是包裹在主星系盘周围的稀薄的球状结构,由恒星和星团构成)中的恒星的观测表明,其中恒星的年龄千差万别:最古老的有110亿年到135亿年,最年轻的只有60亿年到80亿年。
“钱德拉”的锐利目光帮助天文学家看到宇宙中最炽热的X射线发射源,例如爆发的恒星、活跃黑洞周围、巨大的星系团、还有新生的恒星。弥漫在星系团内的炽热气体发出X射线。科学家们发现,星系团里质量最大的那个星系,其黑洞的影响范围不仅限于宿主星系,还波及整个星系团。先前的X射线卫星曾经在英仙座A(位于英仙星系团中心的活跃星系)内部看到孔穴的迹象,“钱德拉”凭借其锐利目光在更多的星系团内部发现了这一结构特征。
密立根当即反问道:“那么,小伙子,你呢?”茨维基毫不示怯地说:“我每隔一年就会想出一个好点子,不信么,给我一个课题,我保证给你想出个好点子来。”密立根于是叫他到天体物理学上试试,当时加州理工正在筹建帕洛马天文台,正需要天体物理学家。总之,不论是什么风把茨维基吹到天文学上去的,有一点可以肯定,茨维基真是太幸运了,因为那正是天文学大发展的年代,而加州理工又正好是国际天文学的学术重镇。
揭秘宇宙的“黑暗面”但近几十年来,天文学家认为,宇宙中并非仅仅存在“恒星物质”,还有一些东西似乎在用一种出乎意料的方式影响星系运动,它们构成了“宇宙的黑暗面”,被称为暗物质和暗能量。人们现在已经知道,在宇宙中,暗物质的占有量位居第二,而暗能量居第一,最后才是我们熟悉的恒星物质,它们只占宇宙物质总质量的不足5%。暗物质将物质束缚在一起,而暗能量则相反,它们将物质相互分开,很像暗物质的对立面。
Richard让这块无形的宇宙剖面图现形,“这是前所未见的三维地图,显示出宇宙的真实面貌,以及宇宙的主要成分。如果有外星人过来观察我们的宇宙,如果它们可以看到我们宇宙的所有成分,他们就会看到这幅景象。”这就像是宇宙暗物质的汤,最浓稠的地方就是星系形成的位置。暗物质与宇宙。构成我们的物质——原子只占宇宙的4.6%,将近1/4的宇宙是暗物质,它让星系得以形成,而3/4的宇宙是暗能量,这种无法解释的能量会摧毁一切。
现在一般认为,暗物质粒子之间,或暗物质与正常物质之间的相互作用非常微弱。同时,根据暗物质粒子的可能的运动速度,人们将暗物质粒子分类为热暗物质(Hot Dark Matter,HDM,粒子运动速度接近光速),冷暗物质(Cold Dark Matter,CDM,粒子运动速度远小于光速)和温暗物质(Warm Dark Matter,WDM,速度居中)。但是冷暗物质模型也存在一些疑难,比如冷暗物质预言的银河系伴星系明显多于现在已知的伴星系。
因此暗物质不是普通物质, 而是超出粒子物理标准模型的未知物质, 天文学上一般称为非重子暗物质, 以区别于主要由重子组成的普通物质。暗物质是决定宇宙结构形成的主导力量。暗物质粒子之间也可能发生湮灭, 产生伽马射线(连续谱或谱线均有可能)、正电子等, 是Fermi卫星、alpha磁谱仪、我国刚刚发射的“悟空”(DAMPE)暗物质卫星等搜寻暗物质的方法; 暗物质粒子也可能发生衰变, 从而改变宇宙早期微波背景辐射、黑暗时代和再电离过程。
在大爆炸宇宙模型提出的初期,人们曾根据哈勃常数推算宇宙的年龄,然而由于哈勃常数在测定远距离星系的视星等与红移关系时,采用了造夫变星决定距离的偏差太大,以致得到的哈勃常数太大,由此估算出的宇宙年龄只有20亿年,比地球的寿命还短,这给当时的大爆炸宇宙学说带来不小的困境,为了摆脱困难,稳态宇宙学说应运而生。宇宙学必须借助于粒子物理理论解释宇宙图象,而粒子物理理论则把宇宙作为检验自己的天然实验室。
但恒星远没有用尽宇宙中的氢氦元素,星系中可能存在大量这样的气体,不少人猜测也许它们的质量足以束缚星系外围的恒星,使得它们老老实实地带在星系中不逃离出去。神奇的事情发生了,在计算机模拟的冷暗物质宇宙中,星系尺度的物质团块率先形成,星系团、空洞、长城也都随着时间演化显现出来。但星系形成过程比暗物质晕的形成过程复杂的多,包含恒星形成,气体冷却,超星系爆发,星系中心超级黑洞吸积物质等一系列物理机制。
暗示暗物质存在的神秘X射线信号。神秘的暗弱信号是通过结合对星系团的多次观测数据发现的,另外在英仙座星系团(一个邻近的庞大星系团)的一张图像中也发现了这个信号。ESA的XMM-牛顿任务科学家诺伯特·沙特尔(Norbert Schartel)评论说:“XMM-牛顿望远镜的大型数据存档以及该望远镜在不同波段采集大量X射线信号的能力让发现这种奇怪的X射线信号成为了可能,最终让人们发现了这一前所未知的谱线。
暗物质到底是什么?暗物质,英语叫Dark matter,是相对于我们常说的可见物质、普通物质,或者叫可观测物质来说的,这种物质无法被人类直接看见或者观测到。▲这是子弹星系团的合成图像,子弹星系团是两个星系团碰撞的产物,粉色部分为普通物质,蓝色部分为暗物质,利用引力透镜观测得到。▲根据普朗克卫星的观测数据,暗物质占整个可观测宇宙质量和能量的26.8%,暗能量占68.3%,普通物质只有4.9%。
中国目前在暗物质空间探测领域是国际领跑者,中科院2015年发射的暗物质粒子探测卫星,采用空间间接探测方法来对暗物质进行探测,其中的核心部件BGO量能器是世界上最先进的。种种未知现象都迫使天文学家和物理学家提出,宇宙中存在一种”暗物质“。主流观点认为,暗物质是一种大质量、弱相互作用粒子,简称为WIMP。这种粒子不是某类具体的粒子,而是一个总称。满足这个要求的候选粒子不止一种。
假设暗物质粒子及其反粒子在早期宇宙中经历了类似这样的过程,那么根据今天剩余的暗物质丰度,我们可以反推得到暗物质的湮灭概率,恰好在弱相互作用的水平。到宇宙中寻找暗物质的踪迹。这个方案探测的是暗物质粒子和普通物质粒子之间的碰撞过程。这种方法的基本思路很简单,虽然我们“看不到”暗物质粒子,但暗物质粒子在与暗物质粒子碰撞后,会产生我们能够“看到”的粒子,例如伽马射线、电子和正电子、质子和反质子、中微子等。
2)星系和星系团里的暗物质,是基于流体静力平衡的假设而得出的,然而发现暗物质的系统都是星系、星系团、超星系团等大质量天体系统,它们在宇宙年龄之内可能都无法达到所谓相对稳定的状态。3)暗物质从未在星团和矮星系们里发现,因而有人认为星系中丢失的许多质量是因为没有精确估算星系中所含恒星级以及中等质量黑洞的数量。目前根据暗物质粒子在早期宇宙中随机运动的速度分为热暗物质、冷暗物质和温暗物质。
在宇宙的极早期,高能粒子碰撞既能创造WIMP粒子,也能摧毁WIMP粒子,因而在任意时刻,都会有一定数量的WIMP粒子存在。这一构想的重点在于,是这些粒子,而不是WIMP粒子,构成了今天宇宙中的暗物质。因此,暗物质晕中心的密度应该就能揭示,构成暗物质的到底是WIMP粒子还是超级WIMP粒子。此外,WIMP粒子衰变成超级WIMP粒子的过程应该会产生光子或电子之类的副产物,这些粒子能够把轻原子核撞碎。
黑洞吹跑了宇宙一半的物质?当前,天文学家可通过观测宇宙微波背景辐射来得出宇宙各种成分的含量——宇宙大约是由4.9%的普通物质、26.8%的暗物质和68.3%的暗能量构成。天文学家们统计了我们所能观测到的所有普通物质,包括构成恒星、行星、黑洞、气体和尘埃等的物质,他们却得到了一个令人惊讶的结果:我们找到的普通物质大约只占了宇宙总量的2.5%。那时,一半的普通物质在宇宙中稳定下来,形成了恒星和星系,另一半却失踪了。
这部《宇宙魅影:搜寻暗物质》可以更明了地帮助我们去理解人类对暗物质的探索,其内容包括对星际大爆炸产生暗物质的推测,以及人类在地球地表下和外太空搭建实验室收集暗物质存在证据的实践等。科学家希望能发现暗物质与暗物质粒子进行碰撞、湮灭时所产生的可见物质,假设暗物质是“父母”,其碰撞、湮灭后产生的可见物质就像是它们的“孩子”,科学家希望通过分析这些可见的“孩子”来了解它们不可见的“父母”。
更为大胆的是,兹威基认为这里的物质是完全不同于通常物质的另外一种物质,并且起名为“暗物质”。“揭开暗物质微观粒子本质是21世纪物理与天文学最重要的科学目标之一,根据目前的主流理论,暗物质很可能是一种超出粒子物理标准模型的‘弱相互作用重粒子’。” “熊猫计划”(PandaX)暗物质实验第二负责人、上海交通大学教授刘江来表示。空间间接探测,主要是对宇宙星系中暗物质的湮灭或微衰变产生的次级粒子进行探测。
搜寻暗物质:引力效应告诉我们缺失的宇宙就在那里|暗物质|星系团|粒子宇宙中物质的大部分却是我们所看不到的。但到目前为止,粒子加速器并未探测到任何性质上似乎与WIMPs粒子相接近的粒子信号。由于对大质量,缓慢移动的“冷”候选粒子的探测,比如WIMPs或轴子的探测迟迟未能获得进展,一些科学家开始设法寻找那些更轻、移动速度也更快的粒子,也就是科学家们所称“温”的暗物质粒子。
暗物质是原初黑洞吗?于是,兹威基就在论文中猜测,在后发座星系团中包含大量暗物质,也就是不发光或者相对很暗的物质,而且这种物质占到了该星系团中物质总量的 99%。这两片星云确定是在银河系之外的星系,所以,当它们中的恒星发出的星光到达地球上,必然要差不多穿过银河系,那么银河系中的暗天体就会因为微引力透镜效应使得大小麦哲伦星云中恒星的亮度产生可观测的变化。这些黑洞很可能就是暗物质,主导现在宇宙的物质成分。
揭开宇宙末日的秘密揭开宇宙末日的秘密 Stephen Battersby.宇宙死亡和重生的循环是很可能的,或者,当宇宙的真空突然变成某种完全不同的物质时,宇宙可能会有一个非常奇特的结局。这就意味着宇宙的未来只有两种可能,要么宇宙的密度大到使引力能够克服大爆炸以来的膨胀并且把所有的物质在一次大坍塌中重新拉到一起,成为"大坍塌",要么宇宙的密度不足够大,膨胀将会永远持续下去。很多科学家坚信正是这种暗能量加速了宇宙的膨胀。
斯克兰顿博士等将WMAP以及另一项名叫“斯隆数字天宇测量”(Sloan Digital Sky Survey,简称SDSS)(测定宇宙中星系的位置和彼此间距离)观测计划的结果进行了对比分析,结果发现,经过一些大质量星系区域的宇宙微波背景辐射温度确实出现了微升。计算的结果发现,星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和,推算的结果:星系中的暗物质约占宇宙物质总量的20-30%。爱因斯坦本来是想把宇宙“静止”下来,但实际的宇宙是在膨胀着。
天文宇宙知识奇观1天文宇宙知识奇观1.他说:“围绕这些恒星运行的行星可以在1000万年内形成,因此当这些行星形成之际,位于近旁的恒星仍然处于极度高温阶段。这对于宜居带而言并非好消息,因为这些行星的表面也会被加热到很高的温度,甚至超过1000摄氏度。当这种情况发生时,这些年轻行星表面初生的原始海洋将完全沸腾蒸发殆尽,大气也将完全消散。”科学家首次证实新生行星通过桥状结构连接恒星灰尘盘吸食气体,维持行星生长。
用发射飞船用人观测黑洞太危险,不现实,但现在有了机器人,我们完全可以利用机器人操纵探测器对黑洞进行观测,并将探测器、机器人做的足够结实坚固,当探测器接近黑洞事件视界时将图像、信息发回来,我们就可以了解黑洞视界外和黑洞内部的情况。这些黑洞互相碰撞形成更大的黑洞,当尘埃、恒星、星团、星系都被黑洞吸收时,黑洞轴心两面将喷射高能粒子流,其宽度比太阳直径大20倍。黑洞是神秘天体,在宇宙中黑洞确实存在(附…