普通物質(zhì)是那些在一般情況下能用眼睛或借助工具看得著的東西,即使藏身于最黑暗的角落,只要有光照總能發(fā)現(xiàn)它們。
誰(shuí)最先發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)呢?二十世紀(jì)30年代,瑞士天文學(xué)家茨威基(Fritz Zwicky,1898-1974)(左圖)發(fā)表了一個(gè)驚人結(jié)果:在星系團(tuán)中,看得見(jiàn)的星系只占總質(zhì)量的1/300以下,而99%以上的質(zhì)量是看不見(jiàn)的。茨威基首先發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的存在,他的發(fā)現(xiàn)大大推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展,他對(duì)科學(xué)的重大貢獻(xiàn)是不可估量的。但當(dāng)時(shí)許多人并不相信茨威基的結(jié)果。由于暗物質(zhì)根本不與光發(fā)生作用,更不會(huì)發(fā)光,在天文上用光的手段絕對(duì)看不到暗物質(zhì)。(右圖為茲威基正在望遠(yuǎn)鏡前觀(guān)察)
萬(wàn)物之間存在萬(wàn)有引力,太陽(yáng)系的九大行星圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)(左圖),越往外其轉(zhuǎn)動(dòng)的速度越低,比如地球繞日速度是每秒30公里,高于火星,而火星的速度又高于位于它之外的木星,這是典型的中間有一顆大恒星的行星系表現(xiàn)。
二十世紀(jì)70年代初,科學(xué)家在觀(guān)測(cè)宇宙其他一些星系(包括銀河系(右圖))中的恒星運(yùn)行速度時(shí)就發(fā)現(xiàn),越往外,圍繞中心的速度并不都是衰減下去,而是和內(nèi)圈恒星的速度差不多。這與越往外,物質(zhì)越少,引力也越小,速度也應(yīng)該越低的常規(guī)不符。由此反推,此時(shí)雖然外圈的那些能被直接觀(guān)測(cè)到、數(shù)出來(lái)的星星數(shù)目變少了,但其實(shí)內(nèi)部的物質(zhì)數(shù)量并沒(méi)有減少,引力也沒(méi)有變小,只不過(guò)觀(guān)測(cè)不到而已,科學(xué)家們大膽地猜測(cè):宇宙中一定有某些物質(zhì)沒(méi)有被我們的天文觀(guān)測(cè)所發(fā)現(xiàn),這些物質(zhì)被稱(chēng)為“暗物質(zhì)”。
UGC10214星系是天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的一個(gè)典型例子(左圖),其中的物質(zhì)不停地向它自己的外圍流出,但在其外圍卻看不到任何別的星系存在。據(jù)猜測(cè),該星系的旁邊存在著一種“暗星系”,這些物質(zhì)流就是在暗星系引力的作用下才流出來(lái)的。
科學(xué)家認(rèn)為,通過(guò)測(cè)量物體圍繞星系轉(zhuǎn)動(dòng)的速度可以找到暗物質(zhì)存在的證據(jù)。根據(jù)人造衛(wèi)星運(yùn)行的速度和高度,就可以測(cè)出地球的總質(zhì)量。根據(jù)地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的速度和地球與太陽(yáng)的距離,就可以測(cè)出太陽(yáng)的總質(zhì)量。同理,根據(jù)物體(星體或氣團(tuán))圍繞星系運(yùn)行的速度和該物體距星系中心的距離,就可以估算出星系范圍內(nèi)的總質(zhì)量。計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn),星系的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于星系中可見(jiàn)星體的質(zhì)量總和,推算的結(jié)果:星系中的暗物質(zhì)約占宇宙物質(zhì)總量的20-30%。
暗物質(zhì)的物理組成到底是什么?科學(xué)家們?cè)缦韧茰y(cè)它可能由一種不帶電的、質(zhì)量很輕的、數(shù)目繁多的中微子構(gòu)成,中微子的運(yùn)動(dòng)速度很快,可稱(chēng)之熱暗物質(zhì);相對(duì)的,候選者還有可能是種質(zhì)量大的、運(yùn)動(dòng)慢、引力大的冷暗物質(zhì)粒子。天文學(xué)家后來(lái)在實(shí)際的觀(guān)測(cè)和計(jì)算當(dāng)中發(fā)現(xiàn),答案更傾向于后者。冷暗物質(zhì)粒子很可能是宇宙早期遺留下來(lái)的穩(wěn)定、只有弱作用的重粒子(WIMP)。
2003年7月28日,以享克-霍克斯特(Henk
Hoekstra)為首的加拿大多倫多大學(xué)(York University in Toronto)的天文學(xué)家成功測(cè)出了看不見(jiàn)的星系光暈(Dark matter
halos)(也稱(chēng)暈圈,星系光環(huán))的大小并確定了其形狀(左圖)。根據(jù)最新的天文學(xué)理論,這些星系由暗物質(zhì)構(gòu)成。多倫多大學(xué)的天文學(xué)家解釋稱(chēng),這些光暈的體積要比看得見(jiàn)的星系(也就是發(fā)光物質(zhì)——星體)體積大5—8倍。
享克-霍克斯特與他的同事霍華德-伊(Howard
Yee),以及目前在加利福尼亞帕薩迪納(Pasadena)天文臺(tái)工作的邁克爾-哥拉德(Michael
Gladders)等在各自的研究中都運(yùn)用了“引力透鏡”(gravitational
lens)效應(yīng)(即質(zhì)量龐大的天體通過(guò)引力作用使其它光源發(fā)出的光線(xiàn)在行進(jìn)過(guò)程中發(fā)生偏離和扭曲)(右圖)。天文學(xué)家們通過(guò)測(cè)算光線(xiàn)與光源之間的偏移度就可以對(duì)那些借助任何儀器都難以觀(guān)察得到的天體進(jìn)行研究。
天文學(xué)家利用1億像素的數(shù)碼照相機(jī)和安裝在夏威夷島上的大功率天文望遠(yuǎn)鏡(Keck)(左圖),對(duì)150多萬(wàn)個(gè)被附近12萬(wàn)個(gè)星系的“引力透鏡”所扭曲的遙遠(yuǎn)星系的形狀進(jìn)行了研究。這一研究過(guò)程從1999年開(kāi)始持續(xù)了兩年,然后又花了兩年時(shí)間對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最后得出結(jié)論:這些看不到的光暈被急劇“削弱”而形成雞蛋狀或橄欖球狀。
享克-霍克斯特還指出,我們所在的星系—銀河系的光暈超過(guò)50萬(wàn)光年,其質(zhì)量約為太陽(yáng)的8800億倍。
這一研究數(shù)據(jù)再次證實(shí)了當(dāng)前被天文學(xué)界普遍接受的理論——宇宙充滿(mǎn)著“冷暗物質(zhì)”,也就是運(yùn)動(dòng)較緩慢的微粒(與快速運(yùn)動(dòng)的“熱”微粒相區(qū)別)(“熱暗物質(zhì)”占的比例極小)。這一研究結(jié)果還為其它宇宙模式理論給予了必要的沖擊。因?yàn)槟壳耙恍┛茖W(xué)家試圖發(fā)展另外一種學(xué)說(shuō),即不存在任何暗物質(zhì),所觀(guān)測(cè)到的“引力透鏡”現(xiàn)象也只是星系中普通物質(zhì)萬(wàn)有引力定律的特殊情況。但享克-霍克斯特教授相信,他們的研究工作將最終推翻這種學(xué)說(shuō)。 |