可以左右宇宙未来命运,但是我们却对它一无所知,这真是一个难题

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我看到很多朋友说宇宙中的暗物质是“透明的”,所以也可以称其为“透明物质”,其实暗物质的性质远非透明,这是一种神秘而又无法形容的强大的物质。多年来,物理学家和天文学家想从最基本的层面理解暗物质的性质。它是由新型基本粒子组成的吗?还是由一些不可见的密度天体(例如黑洞)组成的?如果是粒子组成的,它是否会与重子物质相互作用,还是说暗物质粒子自身会发生我们看不见的作用?暗物质粒子不止一种吗?

暗物质在星系,乃至在宇宙中的角色都极其重要,宇宙中的暗物质无处不在,但却无法观测,天文学家们只能通过一些侧面的引力作用观测暗物质带来的影响,这就像黑洞,黑洞也无法直接观测,天文学家只有在黑洞“进食”的时候才可以观测。未来,天文学家希望使用大型地下探测器,太空望远镜或CERN的大型强子对撞机探测暗物质粒子。

可以左右宇宙未来命运,但是我们却对它一无所知,这真是一个难题-第1张图片-IT新视野

天文学家们根据暗物质与星系的相互作用,得出一个新的结论,即使暗物质没有与重子物质(所有星系星云和宇宙超巨大结构,所有可直接观测物质)相互作用,暗物质的自相互作用也可以帮助天文学家发现暗物质。比如银河系外围的暗物质与其自身在银河系中心的暗物质相互作用,则银河系的内部结构将有所不同。当我们在夜空时看到很多明亮的气体云和恒星时,也可能“看到了”一种或多种彼此相互作用的暗物质粒子。或者,科学家们可以在实验室或太空中检测到与磁场相互作用的粒子,它可能就是暗物质粒子。

对于理论物理学家或者天文学家来说,暗物质是一个有希望的研究目标,因为我们知道它存在,但是我们暂时还不知道它的基本含义,那么我们为什么不知道暗物质的基本含义呢?主要是因为到目前为止,暗物质与重子物质的相互作用非常少,还不足以确定重子物质与暗物质之间作用的数据。

整个宇宙中有四分之一是暗物质,天文学家们是从其引力效应中推断出来的,而不是通过电磁影响(这是发现重子物质的方式)推断出来的。暗物质是一个复杂的概念,对于我们来说这会更复杂,因为我们每个人的五感全部源于电磁相互作用。例如,视觉是基于我们对光的敏感性,这其实就是特定频率范围内我们对电磁效应的敏感性。我们可以看到任何东西,也是因为组成它的原子会发出或吸收光,我们通过科学仪器还可以看到原子中电子和质子携带的电荷。

但是,物质不一定由原子组成,宇宙中绝大多数物质是由完全不同的粒子组成的,我们的眼睛看不到没有电磁相互作用的物质。天文学家是通过观察暗物质对我们银河系中恒星的影响(其旋转速度太快,以至于自身物质的引力无法束缚)以及星系团中银河系的运动(还是太快,无法仅由我们看到的物质来解释)来确定暗物质的。除了星系引力作用,暗物质还在大爆炸后的宇宙微波背景辐射上留下了印记,对超新星爆炸可见物质的轨迹造成了影响,等等……

另外,了解暗物质对于了解宇宙的大小,形状和未来演化极其重要,宇宙中暗物质的量将决定宇宙是开放的(无限膨胀),封闭的(扩展到一个界限然后坍塌)还是平坦的(扩展到平衡界限时停止膨胀),了解暗物质性质也有助于解释星系和星团的形成和演化。如果没有暗物质,随着银河系的不断旋转,最后银河系很可能会被撕开。这不会发生,因为某些力会将银河系聚集在一起,大家可能会说是引力,但是这需要的引力是非常巨大的,不可能由银河系中的可见物质产生。

那么暗物质到底是什么呢?科学家有许多关于暗物质到底是什么的推测和理论。一部分科学家认为,这可能是正常的物体,例如冷气体,暗星系或巨大而又致密的物质组成的,其他科学家认为,暗物质可能是由早期宇宙中产生的奇怪粒子组成的,这种粒子可能是弱相互作用的块状粒子WIMPS或中微子。

可以左右宇宙未来命运,但是我们却对它一无所知,这真是一个难题-第2张图片-IT新视野

为了发现与证实暗物质的存在,天文学家正在不断进行一些天文观测实验和地面实验。一些天文观测已证实暗物质的存在,全球天文学家兴奋起来,使用极其敏感的探测器观测暗物质与普通物质之间的相互作用,可以证实暗物质的存在并阐明其特性。但是,这些相互作用是如此微弱,以至于到目前为止它们都无法直接检测,这迫使科学家们建造了越来越敏感的地球轨道探测器。

在地球上,科学家们还使用了IceCube中微子天文台,这是一个埋在南极洲冰下的实验室,旨在寻找惰性中微子,惰性中微子仅通过重力与常规物质相互作用,使其成为暗物质结构理论中最受到欢迎的候选粒子之一。中微子可以穿透任何物质,这是由于它们很少与正常物质相互作用,因此它们可以轻松的穿过几乎任何物质。目前存在三种已知的中微子类型,而惰性中微子是物理学家们提议的第四类中微子。

其他仪器也在寻找暗物质的影响。自2009年发射以来,欧洲航天局的Planck航天器就一直在绘制宇宙图。通过观察宇宙重子物质如何相互作用,该航天器可以研究暗物质及暗能量的性质。除此之外在2014年,费米伽马射线太空望远镜在伽马射线视角下绘制了银河系核心的地图,揭示了从其核心延伸出的很多伽马射线暴的情况,通过观察暗物质对这些伽马射线暴的影响,也可以推断暗物质的一些性质。

还有很多天文学家认为暗物质是由非重子物质组成的。主要的候选结构粒子为WIMPS,它也被称为弱相互作用粒子,与惰性中微子一样,它们与重子物质的弱相互作用使它们很难被发现,虽然WIMPS还没有被发现,但它也是最重要的暗物质结构粒子候选者。

面对暗物质,我们还是一无所知,我们的理论和数据都停留在间接观测之上,不过没关系,未来观测与寻找中微子的科学之路还将继续下去。暗物质,乃至暗能量对宇宙学来说实在是太重要了,有了暗物质与暗能量的性质,科学家们会有更多意想不到的发明,可以这样说,了解暗物质与暗能量的性质就是了解空间的意义。科学在进步,仪器也在不断发展,未来随着观测方法的不断发展,随着更多太空望远镜升空,暗物质的秘密一定会被揭开。

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