有关暗物质的11个未解之谜
发布时间：2023-09-15 11:00:34 所属栏目：动态 来源：网络
导读： 在20世纪三十年代的时候，有一位叫做弗里茨·齐维基的瑞士天文学家发现了一个非常奇特的事实：在遥远星系的星系互相环绕旋转的速度要比它们的可观测的质量预测得更快。他提出了一
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在20世纪三十年代的时候，有一位叫做弗里茨·齐维基的瑞士天文学家发现了一个非常奇特的事实：在遥远星系的星系互相环绕旋转的速度要比它们的可观测的质量预测得更快。他提出了一种看不见的物质，他称之为暗物质，可能是通过引力作用拉扯着这些星系。从那时起，研究人员已经证实了这种神秘的物质可以在宇宙中随处找到，而且它比构成普通物体（如恒星和人类）的正常物质要多六倍。然而，尽管在宇宙中看到了暗物质，科学家们对它还是一知半解。 暗物质是什么？ 首先，也许是最令人困惑的是，研究人员还不确定暗物质到底是什么。最初，一些科学家推测宇宙中缺失的质量是由小型黯淡的恒星和黑洞组成的，但是详细的观测并没有发现足够多的这样的物体来解释暗物质的影响。 目前暗物质最有可能的候选者是一种假想的粒子，叫做弱相互作用的大质量粒子（WIMP），它的行为有点像中子，只不过比质子重10到100倍，正如林肯所写的那样。然而，这种推测只会引出更多的问题 我们能探测到暗物质吗？ 如果暗物质是由WIMP组成的，它们应该无处不在，隐形而且很难检测。那么我们为什么还没有发现它们呢？虽然它们与普通物质的相互作用很少，但总是有一些微小的可能性，暗物质粒子在穿越空间时会撞到一个正常的粒子，比如质子或电子。因此，研究人员建造了一个又一个实验，深入地下研究大量的普通粒子，它们被屏蔽在干扰辐射之外，这种辐射可能模仿暗物质粒子的碰撞。问题是什么呢？经过几十年的寻找，没有一个探测器发现了可靠的证据。今年早些时候，中国的PandaX实验报告了最新的WIMP未检测结果。看起来暗物质粒子可能比WIMP小得多，或者缺乏让它们容易研究的性质。 暗物质是由一种还是多种粒子组成的？ 普通物质是由质子和电子等日常粒子，以及中微子、μ介子和π介子等更多奇特粒子组成的。因此，一些研究人员想知道暗物质，它占据了宇宙中85%的物质，是否也同样复杂。哈佛大学的物理学家安德烈·卡茨说：“没有充分的理由假设宇宙中所有的暗物质都是由一种类型的粒子构成的。”卡茨说，暗质子可以与暗电子结合形成暗原子，产生与可见世界一样多样和有趣的配置。虽然这样的设想在物理实验室中越来越多地被想象出来，但找到一种方法来证实或否定它们，目前还是让科学家们束手无策。 暗力是否存在？ 除了暗物质的额外粒子，还有一种可能性是暗物质经历了类似于普通物质感受到的力。一些研究人员寻找“暗光子”，它们就像正常粒子之间交换的产生电磁力的光子，只不过它们只能被暗物质粒子感受到。正如《生活科学》网站之前报道的那样，意大利的物理学家们正在准备将一束电子和它们的反物质——正电子，撞击一个钻石。如果暗光子真的存在，电子-正电子就可以湮灭并产生一个奇怪的力载体粒子，可能打开一个全新的宇宙领域。 暗物质是否可能由轴子组成？ 这是一个很有趣的问题，因为轴子是一种假想的粒子，它不仅可以解决强CP问题，还可以作为暗物质的候选者。随着物理学家们对WIMP的信心下降，轴子开始受到更多的关注。轴子的质量非常轻，可能比质子小10的31次方倍。目前有一些试验正在寻找轴子的存在。最近的计算机模拟提出了一种可能性，即这些粒子可以形成类似一颗恒星的物体，它们彼此可能会产生可进行探测的一种辐射，这种辐射与外太阳的神秘辐射现象——快速射电暴很相似 暗物质的性质是什么？ 这是一个很好的问题，因为暗物质是宇宙中最神秘的成分之一。天文学家通过暗物质与普通物质的引力相互作用发现了暗物质，这表明这是它在宇宙中表现自己的主要方式。但是当试图理解暗物质的真实本质时，研究人员几乎没有什么线索。根据一些理论，暗物质粒子应该是它们自己的反粒子，这意味着两个暗物质粒子在相遇时会相互湮灭。国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS）实验自2011年以来一直在寻找这种湮灭的迹象，并已经检测到数十万次事件。科学家们还不确定这些是否来自暗物质，而且这个信号还没有帮助他们确定暗物质到底是什么。 目前，关于暗物质的性质，我们只能做出一些基本的假设和推测。例如，我们认为暗物质： 占据了宇宙中85%的物质，但只占据了26.8%的总能量密度3。 不与电磁场相互作用，也就是说，它不吸收、反射或发射电磁辐射，因此很难探测2。 可能由一种或多种未知的粒子组成，比如WIMP、轴子或暗光子等。 可能存在于其他维度中，或者与暗能量有某种联系或统一的理论。 可能影响黑洞、恒星和行星，甚至生命的形成和演化。 当然，这些都只是一些可能性，并没有得到确凿的证据。要揭开暗物质的真相，我们还需要进行更多的实验和观测。 暗物质是否存在于每个星系中？ 这是一个很有趣的问题，因为暗物质是宇宙中最神秘的成分之一。暗物质的质量远远超过普通物质，因此暗物质通常被认为是控制星系和星系团等大型结构形成的主导力量。所以，当今年早些时候，天文学家宣布他们发现了一个几乎不含暗物质的星系——NGC 1052-DF2，这让人感到很奇怪。耶鲁大学的Pieter van Dokkum说：“暗物质显然不是形成星系的必要条件。” 然而，在今年夏天，另一个团队发表了一篇分析，认为van Dokkum的团队误测了这个星系的距离，这意味着它的可见物质比第一次发现的要暗淡和轻很多，而且它的更多质量是由暗物质组成的。 因此，目前还没有确凿的证据表明有没有不含暗物质的星系。大多数星系都被认为含有暗物质，而且暗物质在星系中起着重要的作用。例如，暗物质可以帮助星系保持稳定和旋转，也可以影响星系之间的相互作用和演化。如果没有暗物质，我们看到的宇宙可能会完全不同。 DAMA/LIBRA实验的结果是什么？ 这是一个很有趣的问题，因为DAMA/LIBRA实验是粒子物理学中一个长期的谜团。这个探测器位于意大利格兰萨索山下的一个地下矿井中，它一直在寻找暗物质粒子的周期性振荡。这种振荡应该是由于地球在绕太阳运行的同时，穿越了环绕我们太阳系的暗物质流（有时被称为暗物质风）而产生的。自1997年以来，DAMA/LIBRA实验声称看到了这样的信号，但是没有其他实验看到过类似的现象。 要了解这个谜题，我们需要先了解一下暗物质是什么。暗物质是一种神秘的物质，它不发光也不反射光，但它却有着巨大的引力，影响着可见物质的运动。天文学家认为大多数星系都被一个看不见的暗物质光环包围着，就像一个隐形的气球一样。这些暗物质光环的形状和大小可以影响氢环的位置和运动，因此通过观测氢环，我们可以推断出暗物质光环的性质。 如果暗物质是由一种或多种未知的粒子组成的，那么它们应该与普通物质有一定的相互作用，虽然很微弱。因此，一些实验试图在地下深处探测大量的普通粒子，寻找暗物质粒子与之碰撞的迹象。DAMA/LIBRA实验就是其中之一，它使用了钠碘化晶体作为探测器。 DAMA/LIBRA实验声称发现了暗物质粒子与钠碘化晶体碰撞事件的年度变化。这种变化被认为是由于地球和银河系暗物质云之间相对速度的变化引起的，因为地球在绕太阳运行时会有季节性的速度差异。这就像我们在风中骑自行车时感受到风速不同一样。DAMA/LIBRA实验认为这种变化是由于暗物质风吹过钠碘化晶体而造成的。 然而，这个结果并没有得到其他实验的支持。许多其他使用不同目标材料或探测技术的实验都没有发现任何类似的信号，而且有些实验甚至排除了DAMA/LIBRA实验所偏好的参数空间。 暗物质是否有电荷？ 这是一个很有趣的问题，因为暗物质是一种神秘的物质，它不发光也不反射光，但它却有着巨大的引力，影响着可见物质的运动。天文学家认为大多数星系都被一个看不见的暗物质光环包围着，就像一个隐形的气球一样。这些暗物质光环的形状和大小可以影响氢环的位置和运动，因此通过观测氢环，我们可以推断出暗物质光环的性质。 目前，我们对暗物质的性质还知之甚少。我们只能做出一些基本的假设和推测。例如，我们认为暗物质： 占据了宇宙中85%的物质，但只占据了26.8%的总能量密度。 不与电磁场相互作用，也就是说，它不吸收、反射或发射电磁辐射，因此很难探测。 可能由一种或多种未知的粒子组成，比如WIMP、轴子或暗光子等。 可能存在于其他维度中，或者与暗能量有某种联系或统一的理论。 可能影响黑洞、恒星和行星，甚至生命的形成和演化。 然而，有些物理学家提出了一个更大胆的想法：暗物质可能有电荷。这个想法是由于一种来自时间之初的信号而产生的。这种信号是由波长为21厘米的辐射组成的，它是由宇宙初期（大爆炸后约1.8亿年）的恒星发出的。然后它被当时存在的冷氢吸收了。当这种辐射在今年二月被探测到时，它的特征表明氢比科学家预测的要冷得多。哈佛大学的天体物理学家朱利安·穆尼奥斯假设，有电荷的暗物质可能从无处不在的氢中带走了热量，就像冰块漂浮在柠檬水中一样。但是这个假设还没有得到证实。 如果暗物质真的有电荷，那么它可能会与普通物质产生更强烈和复杂的相互作用。这可能会对我们对宇宙结构和演化的理解产生重大影响。 普通粒子能否衰变成暗物质？ 中子是有限寿命的普通物质粒子。在大约14.5分钟后，一个脱离原子的孤立中子会衰变成一个质子、一个电子和一个中微子。但是两种不同的实验装置给出了稍微不同的衰变寿命，根据《物理评论快报》杂志7月份的一项研究，它们之间的差异大约是9秒。今年早些时候，物理学家们提出，如果1%的时间，一些中子衰变成暗物质粒子，那么就可以解释这个异常。来自新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的克里斯托弗·莫里斯和他的团队监测了中子的信号，寻找可能是暗物质的迹象，但是没有探测到任何东西。他们在研究中提出，其他衰变情况可能仍然有可能。 暗物质是否真的存在？ 鉴于科学家们在探测和解释暗物质方面遇到的困难，一个合理的提问者可能会怀疑他们是否走错了路。多年来，一小部分物理学家一直在推动一种观点，即我们对引力的理论可能是错误的，而这种基本力在大尺度上的作用方式与我们预期的不同。这些观点通常被称为“修正牛顿动力学”或MOND模型，它们认为没有暗物质，而恒星和星系以超快速度相互绕行的现象是由于引力以惊人的方式表现出来的结果。物理学家唐·林肯写道：“暗物质仍然是一个未经证实的模型。”然而，反对者们还没有说服更广泛的领域接受他们的观点。而最新的证据呢？它也表明暗物质是真实的。这意味着我们可以通过观察它来了解宇宙的起源。但是，这些发现并不能解释为什么我们无法找到任何东西来解释这一现象。 （编辑：温州站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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