【原】強(qiáng)勢圍觀！關(guān)于暗物質(zhì)的十大未解之謎，你知道幾個？

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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20世紀(jì)30年代，瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基(Fritz Zwicky)注意到，在一個遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)中，星系相互環(huán)繞的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了它們可觀測質(zhì)量應(yīng)該有的水平。于是他提出，一種看不見的物質(zhì)，也就是他所說的暗物質(zhì)，可能會對這些星系有引力的作用。

后來研究人員逐漸證實(shí)，這種神秘的物質(zhì)廣泛存在于整個宇宙中，它的數(shù)量是構(gòu)成恒星和人類的普通物質(zhì)的六倍。然而，盡管在整個宇宙中都發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，還是有很多問題始終困擾著科學(xué)家們。以下是關(guān)于暗物質(zhì)的十大未解之謎。

1.什么是暗物質(zhì)？

第一個，也許也是最令人困惑的是，研究人員仍然不確定暗物質(zhì)到底是什么。最初，一些科學(xué)家推測，宇宙中的神秘質(zhì)量來自暗淡且難以觀測的小恒星和黑洞，正如美國能源部費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家唐· 林肯曾經(jīng)在《科學(xué)生活》上所說的那樣，雖然具體的觀測并沒有發(fā)現(xiàn)足以產(chǎn)生這些引力的物質(zhì)。目前認(rèn)為暗物質(zhì)主要的可能成分是一種假設(shè)中的粒子，叫做弱相互作用大質(zhì)量粒子，或簡稱WIMP，它的行為特點(diǎn)有點(diǎn)像中子，并且質(zhì)量可能是質(zhì)子的10到100倍，林肯寫道。然而，這種假設(shè)卻引出了更多的問題?！热?/span>

2.我們能探測到暗物質(zhì)嗎？

如果暗物質(zhì)是由弱相互作用大質(zhì)量粒子構(gòu)成的，那么它們應(yīng)該就純在于我們周圍，但卻看不見，也幾乎探測不到。為什么我們還沒有發(fā)現(xiàn)呢?雖然它們不會與普通物質(zhì)發(fā)生太多的相互作用，但當(dāng)暗物質(zhì)粒子在太空中運(yùn)動時(shí)，它們有小概率會撞擊到質(zhì)子或電子等普通粒子。因此，研究人員進(jìn)行了一次又一次的實(shí)驗(yàn)，在地下深處對大量的普通粒子進(jìn)行研究，這些粒子在那里受到保護(hù)，避免某些可能產(chǎn)生類似暗物質(zhì)粒子碰撞的干擾輻射的影響。問題是，經(jīng)過幾十年的尋找，沒有一個探測設(shè)備得到可靠的結(jié)果。中國的PandaX實(shí)驗(yàn)宣告最新的WIMP探測失敗。當(dāng)時(shí)，加州大學(xué)河濱分校的物理學(xué)家于海波(音譯)在接受《天文在線》雜志采訪時(shí)表示，暗物質(zhì)粒子似乎比弱相互作用大質(zhì)量粒子要小得多，也可能缺乏一些可以用于研究它們的性質(zhì)。

3.暗物質(zhì)的成分是否可能不止一種粒子？

普通物質(zhì)是由質(zhì)子和電子等日常粒子，以及中微子、介子和介子等大量特別的粒子組成的。因此，一些研究人員產(chǎn)生了這樣的猜想：構(gòu)成宇宙中85%物質(zhì)的暗物質(zhì)是否也同樣復(fù)雜。“沒有充分的理由去假設(shè)宇宙中所有的暗物質(zhì)都是由一種粒子構(gòu)成的，”哈佛大學(xué)的物理學(xué)家Andrey Katz對Live Science的姐妹網(wǎng)站天文在線說。卡茨認(rèn)為，暗質(zhì)子可以與暗電子結(jié)合形成暗原子，產(chǎn)生與可觀測世界中一樣多樣和有趣的結(jié)構(gòu)。雖然這樣的猜想被越來越多的物理實(shí)驗(yàn)室提出，但迄今為止，科學(xué)家們還是無法證實(shí)或否認(rèn)它們?！酒婀值目淇撕徒樽?，天哪!自然界中最微小的粒子被解剖】

4.暗引力真的存在嗎？

除了多種類暗物質(zhì)粒子之外，還有另外一個假設(shè)，那就是暗物質(zhì)受到的力與普通物質(zhì)所受到的力類似。一些研究人員已經(jīng)在尋找“暗光子”，它類似于在能產(chǎn)生電磁力的普通粒子之間交換的光子，只不過它們只與暗物質(zhì)粒子相互作用。正如《天文在線》雜志先前報(bào)道的那樣，意大利的物理學(xué)家們正準(zhǔn)備將一束電子及其反粒子，即所謂的正電子，進(jìn)行加速撞擊。如果暗光子確實(shí)存在，電子-正電子對就可能湮滅并產(chǎn)生一種具有力的作用的新粒子，這可能開辟宇宙的一個全新領(lǐng)域。

5.暗物質(zhì)可能由軸粒子組成嗎？

隨著物理學(xué)家對WIMP逐漸失去興趣，其他暗物質(zhì)粒子開始受到青睞。最主要的替代物之一是一種假想的粒子，被稱為軸子，它質(zhì)量非常小，可能只有10的負(fù)31次方，質(zhì)量比質(zhì)子還小。人們正試圖通過一些實(shí)驗(yàn)尋找軸子。計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)提出了這樣一種可能性，即這些軸子可能會形成類似恒星的物體，這些物體可能會產(chǎn)生可檢測到的輻射，這種輻射與《天文在線》(Live Science)之前報(bào)道過的被稱為快速無線電爆發(fā)的神秘現(xiàn)象非常相似。

6.暗物質(zhì)可能有哪些特性？

天文學(xué)家通過暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的引力相互作用發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，這表明這是暗物質(zhì)在宇宙中主要的活動方式。但是，當(dāng)試圖了解暗物質(zhì)的實(shí)質(zhì)時(shí)，研究人員卻無從下手。根據(jù)一些理論，暗物質(zhì)粒子應(yīng)該是它們自己的反粒子，這意味著兩個暗物質(zhì)粒子相遇時(shí)會彼此湮滅。自2011年以來，國際空間站上的阿爾法磁譜儀(AMS)實(shí)驗(yàn)一直在尋找這種湮滅的跡象，并且已經(jīng)成功探測到成千上萬的此類事件?？茖W(xué)家們?nèi)匀徊淮_定這些物質(zhì)是否來自暗物質(zhì)，而且這些信號還沒能幫助他們確定暗物質(zhì)到底是什么。

7.是否每一個星系都存在暗物質(zhì)？

因?yàn)榘滴镔|(zhì)比普通物質(zhì)多得多，所以人們常說它是組織星系和星系團(tuán)等大型結(jié)構(gòu)的控制力量。所以，天文學(xué)家宣布他們發(fā)現(xiàn)了一個名為NGC 1052-DF2的星系，它幾乎不包含任何暗物質(zhì)，這一點(diǎn)很奇怪?！鞍滴镔|(zhì)顯然不是形成星系的必要條件，”耶魯大學(xué)的Pieter van Dokkum當(dāng)時(shí)告訴天文在線網(wǎng)站。然而，另一個團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一份分析報(bào)告，表明范多克姆的團(tuán)隊(duì)錯誤地測量了銀河系的距離，這意味著它的可見物質(zhì)比最初的發(fā)現(xiàn)要暗得多，也要輕得多，而且它的質(zhì)量中有更多是暗物質(zhì)，超出了之前的估計(jì)。

8.DAMA/LIBRA的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何解釋？

歐洲一項(xiàng)名為DAMA/LIBRA的實(shí)驗(yàn)得出了一些令人費(fèi)解的結(jié)果，這是一個長期存在于粒子物理學(xué)中的謎團(tuán)。這個探測器位于意大利格蘭薩索山下的一個地下礦井中，它一直致力于尋找暗物質(zhì)粒子的周期性振蕩。當(dāng)?shù)厍蛟趪@太陽的軌道上運(yùn)行時(shí)，理論上當(dāng)?shù)厍驀@太陽運(yùn)行，同時(shí)飛越環(huán)繞我們太陽系的暗物質(zhì)銀河流——有時(shí)也被稱為暗物質(zhì)風(fēng)的時(shí)候，就應(yīng)該產(chǎn)生這種振蕩。自1997年以來，DAMA/LIBRA已經(jīng)聲稱觀測到了這種信號，但是還沒有其他的實(shí)驗(yàn)觀測到類似的情況。

9.暗物質(zhì)可能帶電荷嗎？

某些跡象使一些物理學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)可能帶有電荷。宇宙誕生之初，也就是大爆炸后的約1.8億年，恒星發(fā)出了波長為21厘米的輻射。然后它被同時(shí)存在的冷氫吸收。當(dāng)探測到這種輻射時(shí)，有跡象表明氫比科學(xué)家們預(yù)測的要冷得多。哈佛大學(xué)的天體物理學(xué)家朱利安·穆尼奧斯(Julian Munoz)在接受《天文在線》采訪時(shí)曾假設(shè)，帶有電荷的暗物質(zhì)可能會把熱量從無處不在的氫氣中帶走，這種氫氣有點(diǎn)像漂浮在檸檬汁中的冰塊。但這一推測還有待證實(shí)。

中子是具有有限壽命的普通物質(zhì)粒子。大約14.5分鐘后，脫離原子的單個中子將衰變?yōu)橘|(zhì)子、電子和中微子。但根據(jù)《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)雜志刊登的一項(xiàng)研究，兩種不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置給出的衰變壽命略有不同，相差約9秒。物理學(xué)家提出，如果一些中子可能有百分之一的機(jī)會衰變?yōu)榘滴镔|(zhì)粒子，就可以解釋這種異常現(xiàn)象。新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的克里斯托弗·莫里斯(Christopher Morris)和他的團(tuán)隊(duì)曾嘗試監(jiān)測中子，尋找可能來自暗物質(zhì)的信號，但卻什么也探測不到。根據(jù)這項(xiàng)研究的成果，他們認(rèn)為也可能存在其他的衰變情況。

10.普通粒子能衰變?yōu)榘滴镔|(zhì)嗎?

考慮到科學(xué)家們在試圖探測和解釋暗物質(zhì)時(shí)所面臨的諸多困難，一個理性的人可能會質(zhì)疑他們是否完全錯了。多年來，少數(shù)直言不諱的物理學(xué)家一直在宣揚(yáng)這樣一種觀點(diǎn):或許我們的引力理論根本就是錯誤的，根本的力在大尺度上的作用與我們預(yù)期的不同。這些理論通常被稱為“修正牛頓動力學(xué)”或MOND模型，它們認(rèn)為暗物質(zhì)不存在，而恒星和星系的超快速相互旋轉(zhuǎn)則是引力的具體表現(xiàn)。“暗物質(zhì)仍然是一個未經(jīng)證實(shí)的理論”物理學(xué)家唐·林肯在《天文在線》的解釋中寫道。然而，批評者們還沒有說服更多的人相信他們的觀點(diǎn)。但最新的研究證據(jù)卻進(jìn)一步佐證了暗物質(zhì)的真實(shí)存在。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3. Adam Mann-瓶子

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