暗物质是什么?

宇宙是什么组成的,在恒星和行星运行的宇宙里,还有什么充斥这个宇宙,维持着宇宙的平衡。一直以来,暗物质的各种理论和假说议论纷纷,而这暗物质是什么呢?暗物质与宇宙的存在又有什么关联,奥秘世界带你了解神秘的暗物质。

暗物质是什么?

在宇宙学中,暗物质(dark matter)又称为暗质,是指无法通过电磁波的观测进行研究,也就是不与电磁力产生作用的物质。人们目前只能通过引力产生的效应得知,而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质(Dark Matter)是一种比电子和光子还要小的物质,不带电荷,不与电子发生干扰,能够穿越电磁波和引力场,是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小,但是数量庞大,因此它的总质量很大,它们代表了宇宙中84.5%的物质含量,其中人类可见的只占宇宙总物质量的10%不到(约5%)。暗物质无法直接观测得到,但它能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。

暗物质的构成

宇宙中的物质并不都是发光的,有许多物质我们观测不到,这就影响了我们测定目前宇宙中物质密度的准确性。天文学家从动力学推算出的宇宙质量与从星系光度方法推算出的宇宙质量之比大约为九比一,也就是说,宇宙中大约存在着十分之九的暗物质,这就意味着,构成动植物赖以生存的光彩夺目的太阳,只不过是由占宇宙质量不到十分之一的次要成份构成。

目前观测到的可视物质密度的数量级约为10-31克/厘米,它不到宇宙临界密度的5%(目前估算的的数量级为10-29克/厘米),如果把上述暗物质也算进去,那么就可得出宇宙中实际的物质平均密度。因为科学家一旦知道了宇宙的真实密度,就可以根据弗来德曼的理论知道我们宇宙的未来趋向:一直膨胀下去还是在进行着一种“膨胀—收缩—膨胀”的脉动循环。因此解决宇宙中的“暗物质”问题,是决定宇宙未来“前途”的大事。那么,宇宙中看不见的暗物质到底是些什么东西呢?它们丢失到哪里去了?这就是天文物理学中著名的“暗物质问题”或“失踪的宇宙质量问题”。

早在本世纪30年代,荷兰天体物理学家奥尔特就已指出:为了说明恒星的运动,需要假定在太阳附近存在着看不见的暗物质。1933年,茨维基从室女星系团诸星系的运动情况认定,在星系团中存在着大量的暗物质。奥尔特等天文学家认为,太阳附近和银道面内的暗物质可能是一般光学望远镜观测不到的极暗弱的褐矮星或质量为木星30~80倍的大行星。美国天文学家巴柯的理论分析表明,在太阳附近,存在着与发光物质几乎同等数

量的看不见的物质。在大视场望远镜所拍摄的天空照片上已发现了暗于14星等、不到半个太阳质量的M型矮星。由于太阳位于银河系中心平面的附近,故从探测到的M型矮星的数目推算,它们大概能提供银河系应有失踪质量的一半。每一颗M型星最多只能发光几万年,故一些人认为银河系中一定存在着许许多多这类小恒星“燃烧”后的“尸体”,它们可能就是我们要寻找的暗物质。

后来,有人提出星系的暗包层是弥漫的气体。暗物质就是由这些弥漫的气体贡献的。星际空间,确实发现很多弥漫的气体,例如很多恒星周围被炽热的气体包裹着。然而,射电观测证明,星系引力不可能把质量比本身还要大得多的“暗物质”气体束缚着。经简单估算,星系的暗包层气体不会很多,最多为星系质量的10%。

有人又提出暗物质可能是由固体尘埃组成。星系团中心是星系簇集的地方,如果每个星系外围都有质量比星系本身还要大的尘埃晕,那么尘埃对星系团中心的星系会产生很大的消光效应,从而引起星光昏暗,这样观察到的星系团中心区将反而比它的外围暗。然而,这与观察结果相矛盾,因而这个假设也难以立足。

宇宙中的暗物质

现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等研究表明:我们目前所认知的部分,即重子(加上电子),大致占宇宙的4%,而暗物质则占了宇宙的23%,还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性,对结构形成也非常关键。暗物质很有可能是一种(或几种)粒子物理标准模型以外的新粒子所构成。对暗物质(和暗能量)的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、天文观测和膨胀宇宙论研究表明:宇宙的密度可能由约70%的暗能量,5%的发光和不发光物体,5%的热暗物质和20%的冷暗物质组成。

暗物质的作用

首先明确宇宙暗物质目前依然只是假设,因为暗物质是不可观察的,不可测量的。对于暗物质的作用,科学家门说暗物质统治着宇宙,他们将星系不断的推散,星系之间会变得越来越散,温度会越来越冷。。宇宙暗物质的总质量是普通物质的6倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,宇宙暗物质主导了宇宙结构的形成。宇宙暗物质的本质现在还是个谜,但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话,那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过,最近对星系以及亚星系结构的分析显示,这一假设和观测结

果之间存在着差异,这同时为多种可能的宇宙暗物质理论提供了用武之地。

宇宙暗物质促成了宇宙结构的形成,如果没有宇宙暗物质就不会形成星系、恒星和行星,也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性,但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力,因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落,而这些涨落会在宇宙微波背景辐射(CMB)中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹,因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。

另一方面,不与辐射耦合的宇宙暗物质,其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后,已经成团的宇宙暗物质就开始吸引普通物质,进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落,但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷宇宙暗物质,由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。

在开始阐述这一模型的有效性之前,必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动(涨落),为了预言其在不同波长上的引力效应,小扰动谱必须具有特殊的形态。为此,最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说,如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和,那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱(其谱指数n=1)。WMAP的观测结果证实了这一预言,其观测到的结果为n=0.99±0.04。

但是如果我们不了解宇宙暗物质的性质,就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种宇宙暗物质--中微子和黑洞。但是它们对宇宙暗物质总量的贡献是非常微小的,宇宙暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论宇宙暗物质可能的候选者,由其导致的结构形成,以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示宇宙暗物质的性质。

暗物质存在的证据

暗物质被称为“世纪之谜”。它“霸占”了宇宙90%的地盘,却摸不到看不着,甚至让爱因斯坦都迷糊了,否认了它的存在。令人兴奋的是,经过10年观测,紫金山天文台专家捕捉到了很可能是暗物质留下的“足迹”——高能电子,这可能是暗物质存在的一个有力证据。

2008年11月20日,《Nature》上发表了中国天文学家、中科院紫金山天文台研究员常进与国外同行合作的宇宙高能电子空间观测新发现《宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》。如果这一成果被进一步证实,这将是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的可能证据,也将是现代物理学的重大突破。

以严谨著称的《Nature》经过多轮考察,以介绍论文第一作者的形式对常进进行了专访,刊登在同期刊物上。该项研究成果引起科学界广泛关注。 《Science》将以“Dark Matter Story” 为题重点介绍该成果。此外,英国的《新科学家》(New Scientist),美国《纽约时报》(New York Times)、美国航空航天局科学中心《science@nasa》等国外主流媒体都将在11月20日或稍后对该成果进行报道。评论普遍认为,该观测如果被证实,将是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据。同时在天文观测中,开启了一个新的“窗口”,意义十分重大。有专家评论认为,即使最后发现不是暗物质粒子湮灭的证据,常进等科学家的观测对揭开宇宙起源也有重大意义。

在现代天文学界和物理学界,有一个被科学家称为“世纪之谜”的问题待解,它也是困扰现代物理学发展的一个重大难题,这便是暗物质,暗物质的本质到现在还不清楚。

1937年,天文学家弗里兹·扎维奇发现,大型星系团中的星系具有极高的运动速度,然而星系的运行速度远远超出万有引力公式计算出的结果,这表明除了人类已知的星系团核心物质对该星系的引力外,还存在其他引力。天文学家进一步推断,在人类已知的宇宙物质之外,还有一种物质存在。平常人很难理解暗物质,常进告诉记者:“这个物质很奇怪,不仅本身不发光,而且光线也射不进去,所以人是看不到的。最令人惊讶的是,它虽然摸不到,却有重量和引力,如果前面有个暗物质山,可能会将人压死。”

常进介绍,最新的天文观测表明,宇宙的组成包括普通物质、暗物质和暗能量,其中暗物质占宇宙25%,暗能量占70%,我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量5%。宇宙“暗”的一面,主宰了整个宇宙。

有趣的是,爱因斯坦曾提出暗物质这个概念,又被他自己否定了,原因很简单,他认为暗物质破坏了他的经典论著《相对论》的优美。

暗物质相关链接

中国首颗暗物质探测卫星将在年底发射升空

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暗物质粒子探测卫星,将替代人类的眼睛,面向浩渺宇宙捕捉暗物质的踪迹。这种被万有引力效应明确证明存在却没有被电磁波观测到的物质,占到宇宙物质的26.8%。

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