暗物質 -物理名詞

暗物質

物理名詞
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暗物質(Dark Matter)是一種比電子和光子還要小的物質,不帶電荷,不與電子發生幹擾,能夠穿越電磁波和引力場,是宇宙的重要組成部分。暗物質的密度非常小,但是數量龐大,因此它的總質量很大,它們代表了宇宙中26%的物質含量,其中人類可見的隻佔宇宙總物質量的5%不到(約4.9%)。暗物質無法直接觀測得到,但它能幹擾星體發出的光波或引力,其存在能被明顯地感受到。

暗物質存在的最早證據來源于對球狀星系旋轉速度的觀測。現代天文學通過引力透鏡宇宙中大尺度結構形成、天文觀測和膨脹宇宙論研究表明:宇宙的密度可能由約68.3%的暗能量,4.9%的重子物質,26.8%暗物質組成。

新電腦模型:暗物質並非由重粒子組成

  • 中文名稱
    暗物質
  • 外文名稱
    dark matter
  • 別稱
    不可見物質
  • 發現者
  • 質量
    宇宙的90%
  • 類屬
    天文學

基本簡介

暗物質暗物質

1915年,愛因斯坦根據他的相對論得出推論:宇宙的形狀取決于宇宙質量的多少。他認為:宇宙是有限封閉的。如果是這樣,宇宙中物質的平均密度必須達到每立方釐米5×10的負30次方克。但是,迄今可觀測到的宇宙的密度,卻比這個值小100倍。也就是說,宇宙中的大多數物質“失蹤”了,科學家將這種“失蹤”的物質叫“暗物質”。

最早提出證據並推斷暗物質存在的是20世紀30年代荷蘭科學家Jan Oort與美國加州理工學院的瑞士天文學家弗裏茲·扎維奇等人。

1932年,美國加州工學院的瑞士天文學家弗裏茲·扎維奇最早提出證據並推斷暗物質的存在。弗裏茲·扎維奇觀測螺旋星系旋轉速度時,發現星系外側的旋轉速度較牛頓重力預期的快,故推測必有數量龐大的質能拉住星系外側組成,以使其不致因過大的離心力而脫離星系。

弗裏茲·扎維奇發現,大型星系團中的星系具有極高的運動速度,除非星系團的質量是根據其中恆星數量計算所得到的值的100倍以上,否則星系團根本無法束縛住這些星系。

暗物質(dark matter)剛被提出來時僅僅是理論的產物,之後幾十年的觀測分析證實了這一點。盡管對暗物質的性質仍然一無所知,但是到了80年代,佔宇宙能量密度大約20%的暗物質已被廣為接受了 。

在引入宇宙膨脹理論之後,許多宇宙學家相信我們的宇宙是一個平行的空間,而且宇宙總能量密度必定是等于臨界值的(這一臨界值用于區分宇宙是封閉的還是開放的)。與此同時,宇宙學家們也傾向于一個簡單的宇宙,其中能量密度都以物質的形式出現,包括4%的普通物質和96%的暗物質與暗能量。但事實上,觀測從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質密度的估計上存在著比較大的誤差,但是這一誤差還沒有大到使物質的總量達到臨界值,而且這一觀測和理論模型之間的不一致也隨著時間變得越來越尖銳。

不過,我們忽略了極為重要的一點,那就是暗物質促成了宇宙結構的形成,如果沒有暗物質就不會形成星系、恆星行星,更談不上今天的人類了。宇宙盡管在極大的尺度上表現出均勻和各向同性,但是在小一些的尺度上則存在著恆星、星系、星系團以及星系長城。而在大尺度上能夠促使物質運動的力就隻有引力了。但是均勻分布的物質不會產生引力,因此今天所有的宇宙結構必然源自于宇宙極早期物質分布的微小漲落,而這些漲落會在宇宙微波背景(CMB)中留下痕跡。然而普通物質不可能通過其自身的漲落形成實質上的結構而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡,因為那時普通物質還沒有從輻射中脫耦出來。

暗物質暗物質

另一方面,不與輻射耦合的暗物質,其微小的漲落在普通物質脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質脫耦之後,已經成團的暗物質就開始吸引普通物質,進而形成了我們觀測到的結構。這需要一個初始的漲落,但是它的振幅非常非常的小。這裏需要的物質就是冷暗物質,由于它是無熱運動的非相對論性粒子因此得名。

在開始闡述這一模型的有效性之前,必須先交待一下其中一件重要的事情。對于先前提到的小擾動(漲落),為了預言其在不同波長上的引力效應,小擾動譜必須具有特殊的形態。為此,最初的密度漲落應該是標度無關的。也就是說,如果我們把能量分布分解成一系列不同波長的正弦波之和,那麽所有正弦波的振幅都應該是相同的。“大霹靂”初期暴漲理論的成功之處就在于它提供了很好的動力學出發機製來形成這樣一個標度無關的小擾動譜(其譜指數n=1)。WMAP的觀測結果證實了這一預言。

但是如果我們不了解暗物質的性質,就不能說我們已經了解了宇宙。我們已經知道了兩種暗物質--中微子黑洞。但是它們對暗物質總量的貢獻是非常微小的,暗物質中的絕大部分還不清楚。這裏我們將討論暗物質可能的候選者,由其導致的結構形成,以及我們如何綜合粒子探測器和天文觀測來揭示暗物質的性質。

研究歷史

研究歷程

21世紀初科學最大的謎是暗物質暗能量暗物質存在于人類已知的物質之外,人們知道它的存在,但不知道它是什麽,它的構成也和人類已知的物質不同。在宇宙中,暗物質的能量是人類已知物質的能量的5倍以上。暗物質的總質量是普通物質的6.3倍,在宇宙能量密度中佔了1/4,同時更重要的是,暗物質主導了宇宙結構的形成。暗物質的本質還是個謎。科學家認為,整個宇宙有84.5%是由暗物質構成,但一直未能證明其存在。已有不少天文學家認為,宇宙中90%以上的物質是以“暗物質”的方式隱藏著。天文學家們稱,根據當前一些統計資料顯示,我們平常看不見的暗物質很可能佔有宇宙所有物質總量的95%,而人類可以看到的物質隻佔宇宙總物質量的不到10%。

宇宙外圍的星系團結構由暗物質主導宇宙外圍的星系團結構由暗物質主導

20世紀30年代,荷蘭天體物理學家奧爾特指出:為了說明恆星的運動,需要假定在太陽附近存在著暗物質;同年代,茨維基從室女星系團諸星系的運動的觀測中,也認為在星系團中存在著大量的暗物質;美國天文學家巴柯的理論分析也表明,在太陽附近,存在著與發光物質幾乎同等數量看不見的物質。

1930年初,瑞士天文學家扎維奇發表了一個驚人結果:在星系團中,看得見的星系隻佔總質量的1/300以下,而99%以上的質量是看不見的。不過,扎維奇的結果許多人並不相信。

自20世紀70年代以來,科學家們根據對許多大型天體之間,如星系之間的引力效果的觀測發現,常規物質不可能引起如此大的引力,因此暗物質的存在理論被廣泛認同。

2006年1月6日報道,劍橋大學天文研究所的科學家們在歷史上第一次成功確定了廣泛分布在宇宙間的暗物質的部分物理性質。從事此項研究的科學家們已準備將此項研究結果公開發表。

2006年,美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E 0657-56進行觀測,無意間觀測到星系碰撞的過程,星系團碰撞威力之猛,使得黑暗物質與正常物質分開,因此發現了暗物質存在的直接證據。天文學家推測,宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量,暗物質佔宇宙25%,暗能量佔70%,通常所觀測到的普通物質隻佔宇宙質量的5%。因此,探測和研究暗物質很可能導致物理學界新的革命。

2007年1月,暗物質分布圖終于誕生了!經過4年的努力,70位研究人員繪製出這幅三維的“藍圖”,勾勒出相當于從地球上看,8個月亮並排所覆蓋的天空範圍中暗物質的輪廓。這張圖是通過引力透鏡原理獲得的。馬賽天文物理實驗室的讓-保羅·克乃伯(Jean-Paul Kneib)參加了這張分布圖的繪製工作,他認為這種“面包丁”的形狀自25億年以來就沒有很大改變,所以我們看到的也就是暗物質的形狀。

2007年5月16日出版的《天體物理學雜志》稱,約翰斯·霍普金斯大學天文學家小組利用哈勃太空望遠鏡,探測到了位于遙遠星系團中呈環狀分布的暗物質。天文學家們稱,這是迄今為止能證明暗物質存在的最強有力的證據。這一重大發現刊登在上。 研究小組成員、天文學家詹姆斯·傑說,“這是第一次探測到有著獨特結構的暗物質,它的環狀結構與星系團內部星系以及熱氣體的結構截然不同”。這將有助于天文學家分析暗物質與普通物質的區別,理解引力作用是如何影響暗物質的。

2009年12月21日,科學家在Souden煤礦中發現暗物質,這是迄今為止最有力的發現暗物質證據。其他實驗也在探尋來自暗物質的信號,比如地下(Lux)實驗。美國費米太空望遠鏡則嘗試定位暗物質,尋找其在空間湮沒(暗物質發生碰撞時,兩個粒子將生成可以被探測器接收到的γ射線)的證據,但目前沒有任何發現。

2010年12月12日,中國首個極深地下實驗室——“中國錦屏地下實驗室”于在四川雅礱江錦屏水電站揭牌並投入使用,錦屏地下實驗室垂直岩石覆蓋達2400米,是當前世界岩石覆蓋最深的實驗室。它的建成標志著中國已經擁有了世界一流的潔凈的低輻射研究平台,能夠自主開展像暗物質探測這樣的國際最前沿的基礎研究課題。清華大學實驗組的暗物質探測器已經率先進入實驗室,並啓動探測工作,而2012年上海交通大學等研究團隊也將進入這裏開展暗物質的探測研究。

暗物質暗物質

2011年5月,義大利暗物質探測無果,該研究結果質疑其它發現暗物質的結果。有科學研究表明,大麥哲倫星系(距銀河系約16萬光年)未被銀河系的引力撕碎的原因可能是因為暗物質的影響,使大麥哲倫星系幸免于難。

日內瓦時間2013年4月3日下午5點(台北時間2013年4月4日零點),諾貝爾物理獎得主丁肇中教授在日內瓦歐洲核子中心,首次公布其領導的阿爾法磁譜儀(AMS)項目18年之後的第一個實驗結果——已發現的40萬個正電子可能來自一個共同之源,即脈沖星或人們一直尋找的暗物質。

至2013年,尋找暗物質粒子、研究暗能量的物理本質、探索宇宙起源及演化的奧秘、結合粒子物理和宇宙學的研究已成為21世紀天文學和物理學發展的一個重要趨勢。諾貝爾物理學獎得主李政道教授曾多次指出:“暗物質是籠罩20世紀末和21世紀初現代物理學的最大烏雲,它將預示著物理學的又一次革命。”

2013年4月18日,美國物理學會的科學家報告稱,在實驗中發現大質量弱相互作用粒子的信號強度達到3個西格瑪水準,他們發現暗物質的可能性達到99.8%。

2013年4月,當地時間3日,諾貝爾獎得主、華裔物理學家丁肇中及其阿爾法磁譜儀項目團隊宣布的成果,讓人類在認識暗物質的道路上邁出重要一步。丁肇中團隊借助阿爾法磁譜儀已發現40萬個正電子,這些正電子可能來自人類一直尋找的暗物質(正電子是反物質,和暗物質是完全不同的概念)。阿爾法磁譜儀首批研究成果“將有助于促進對基礎物理學和天體物理學領域新的理解”,“我們期盼更多來自這一項目的令人激動的成果”。阿爾法磁譜儀(AMS)項目重大成果,該成果有可能證明暗物質確實存在。

台北時間2014年9月18日,程林教授團隊與丁肇中合作的AMS項目重大成果發布會在瑞士日內瓦舉行,丁肇中主持的實驗室公布AMS項目最新研究成果,宇宙射線中過量的正電子可能來自暗物質。丁肇中特委托山東大學程林教授在國內發布有關成果。在已完成的觀測中,證明暗物質存在實驗的6個有關特征中,已有5個得到確認。

星系研究

“暗物質”星系團,也被稱為“子彈星系團”,距離地球38億光年。通過研究這類星系團,科學家能夠測量出暗物質的不可見影響。子彈星系團是兩個星系團碰撞的產物。其中普通物質——高溫氣體(粉色,X射線波段)——會碰撞、損失能量、運動速度變慢。星系團中的暗物質(藍色,引力透鏡觀測)間相互作用很弱,可以彼此穿過。 據美國太空網報道,神秘的暗物質一直以來都是自然界的未解之謎,引起了科學家們的探索和爭論。美國“低溫暗物質搜尋計畫”項目組科學家研究指出,暗物質或許就存在于地球之上。 暗物質就因為它“模糊、隱晦”的特點而很難發現。事實上,科學家們也不知道究竟何為暗物質。由于暗物質既不釋放任何光線,也不反射任何光線,因此最強大的天文望遠鏡都無法直接探測到它。

科學家們發現螺旋星系NGC 4736的旋轉能完全依靠可見物質的引力來解釋,也就是說這個星系沒有暗物質或者暗物質很少。

Abell 2390星系團和暗物質星系團,距離我們約有20億光年遠。右半方的影像,是哈勃太空望遠鏡所拍攝的假色照片,而相對應的左半方影像,是由錢卓X射線觀測站所拍攝的X射線影像。雖然哈勃望遠鏡的影像中,可以看到數量眾多的星系,但在X射線影像裏,這些星系的蹤影卻無處可尋,隻見到一團溫度有數百萬度,而且會輻射出X射線的熾熱星系團雲氣。除了表面上的差異外,這些觀測其實還含有更重大的謎團呢。因為右方影像中星系的總質量加上左方雲氣的質量,它們所產生的重力,並不足以讓這團熾熱雲氣乖乖地留在星系團之內。事實上再怎麽細算,這些質量隻有“必要質量”的百分之十三而已!在右方哈伯的深場影像裏,重力透鏡效應影像也指出造成這些幻像所需要的質量,大于哈勃望遠鏡和錢卓拉觀測站所直接看到的。天文學家認為,星系團內大部分的物質,是連這些靈敏的太空望遠鏡也看不到的“暗物質”。

在大視場望遠鏡所拍攝的天空照片上已發現了暗于14星等,不到半個太陽質量的M型矮星。由于太陽位于銀河系中心平面的附近,從探測到的M型矮星的數目可推算出,它們大概能提供銀河系應有失蹤質量的另一半。且每一顆M型星發光,有幾萬年。所以人們認為銀河系中一定存在著許許多多的這些小恆星“燃燒”後的“屍體”,足以提供理論計算所需的全部暗物質。

美國科學家稱,他們通過一種最新的理論研究發現,地球和月球之間其實隱藏著大量神秘的暗物質。這一觀點也許可以用來解釋所謂的“飛行異常”奇怪現象。當太空飛行器進入太空之前、尚在地球周圍不斷加速的過程中,所有飛行器都曾有過奇怪的速率變化過程。而根據已知的萬有引力定律,不應該出現這種現象。于是有些科學家認為,這種飛行異常表明現有物理定律以及萬有引力定律存在問題,愛因斯坦的廣義相對論需要修正。當然這隻是一種較為激進的看法。

德國慕尼黑大學天文台的約爾格·迪特裏希及其研究團隊已探測到一個超星系團的絲狀物中的暗物質成分。這個超星系團名為“阿伯爾222/223”,距地球約27億光年。巨大的絲狀物產生的引力使得從地球發射至遙遠星系的光束發生彎曲。迪特裏希的研究團隊利用這種光束,計算出“阿伯爾222/223”超星系團絲狀物的質量並繪製出它的形狀。附近正常物質的熾熱氣體發出的X射線表明,正常物質是該超星系團絲狀物的組成部分,但僅佔其質量的10%。其餘部分一定是暗物質。迪特裏希說,這表明這些絲狀物是“將宇宙中的星系團連線在一起的暗物質網路的一部分”。

霍普和他的科研組通過對費米伽馬射線太空望遠鏡在兩年多時間裏傳回地球的資料進行分析,發現這種高能死亡信號。費米太空望遠鏡是美國宇航局的伽馬射線望遠鏡,主要用來掃描銀河的高能活躍區。他們發現,發出信號的相撞在一起的暗物質粒子,比質子大約重8到9倍。霍普說:“它比我們大部分人猜測的結果可能更輕一些。迄今為止我們很擅長這方面。不過人們猜測的暗物質粒子的重量範圍不會一成不變。”該科研組在銀河核心處一個直徑100光年的區域收集到的資料裏發現這些信號。霍普解釋說,他們之所以會關註這個區域,是因為它是暗物質最喜歡的聚集地,銀河這個區域的暗物質密度,是銀河邊緣的10萬倍。簡而言之,銀河核心就是一個暗物質大量聚集在一起,經常相撞的地方。

研究結論

直到1978年才出現第一個令人信服的證據,這就是測量物體圍繞星系轉動的速度。根據地球繞太陽運行的速度和地球與太陽的距離,就可以測出太陽的總質量。同理,根據物體(星體或氣團)圍繞星系運行的速度和該物體距星系中心的距離,就可以估算出星系範圍內的總質量。這樣計算的結果發現,星系的總質量遠大于星系中可見星體的質量總和。

中國暗物質研究基地中國暗物質研究基地

觀測結果和理論分析均表明漩渦星系外圍存在著大質量的暗暈。科學家們借助強功率天文望遠鏡(包括架設在智利的甚大天文望遠鏡VLT --Very Large Telescope)對距離銀河系不遠的矮星系進行了共達23夜的研究,此後科學家們還通過約7000餘次的計算得出結論稱:在他們所觀測的這些矮星系中,暗物質的含量是其它普通物質的400多倍。此外,這些矮星系中物質 粒子的運動速度可達每秒9公裏,其溫度可達10000℃。同時科學家們還觀測到,暗物質與其它普通物質還有著巨大的差異,如:盡管觀測目標的溫度是如此之高,但是這樣的高溫卻不會產生任何輻射。據領導此項研究的傑裏-吉爾摩教授認為,暗物質微粒很有可能不是由質子和中子構成的。然而在此之前科學家們曾一貫認為,暗物質應該是由一些“冷”粒子構成的,這些粒子的運動速度也不會太高。

暗物質研究專家們還表示,宇宙間最小的連續存在的暗物質片段大小也有1000光年,這樣的暗物質片段質量約是太陽的30多倍。科學家們還在此次研究中確定出了暗物質微粒分布的密度,譬如,在地球上每立方釐米的空間如果能夠容納1023個物質粒子,那麽對于暗物質來說這麽大的空間隻能容納約三分之一的微粒。

宇宙學家表示,他們已經在銀河核心深處發現與暗物質粒子有關的最令人信服的證據。該地的這種神秘物質相撞在一起產生伽馬射線的次數,比天空中的其他臨近區域更頻繁。費米實驗室天體物理學家克雷格·霍甘並沒參與這項研究,他說:“這是我所知道的第一項通過一個簡單粒子模型,把少量與暗物質的證據有關的線索拼接在一起的研究。雖然它還沒有充足證據,但它令人興奮,值得我們去追根究底。”暗物質從137億年前開始在龐大的能量膨脹——宇宙大霹靂過程中形成。能量冷卻後形成普通物質、暗物質和暗能量,它們在宇宙中的比例分別是4%、23%和73%。

芝加哥大學的宇宙學家邁克爾·特納表示,好訊息是幾項有希望的暗物質探測試驗正在進行。相幹鍺中微子技術(CoGeNT)等深埋地下的探測器可助霍普一臂之力。該探測器近幾年可能已經發現弱相互作用大質量粒子的跡象。特納說:“這十年是暗物質的十年。這個問題即將解決。現在所有這些探測器都在觀測正確方位。”他預測未來數年將會被銘記為“大質量弱相互作用粒子(WIMP)的十年”,而且通過一系列的研究,包括利用大型強子對撞機製造WIMP等,暗物質的性質將逐漸呈現在我們面前。

2015年5月13日,由北京師範大學天文系教授張同傑領銜的宇宙中微子數值模擬團隊,在“天河二號”超級電腦系統上,日前成功完成3萬億粒子數的宇宙中微子和暗物質數值模擬,揭示了宇宙大霹靂1600萬年之後至今約137億年的演化進程。​

物質分布

天文學的觀測表明,宇宙中有大量的暗物質,特別是存在大量的非重子物質的暗物質。據天文學觀測估計,宇宙的總質量中,重子物質約佔2%,也就是說,宇宙中可觀測到的各種星際物質、星體、恆星、星團、星雲、類星體、星系等的總和隻佔宇宙總質量的2%,98%的物質還沒有被直接觀測到。在宇宙中非重子物質的暗物質當中,冷暗物質約佔70%,熱暗物質約佔30%。

暗物質模擬圖暗物質模擬圖

宇宙中的某些地方沒有任何暗物質和可見物質,而它們在另外一些地方卻異常密集:暗物質聚集在一起,星系則掛靠在暗物質上,就像掛在鉤子上的畫。

美國明尼蘇達大學科學家安吉拉-雷塞特爾是“低溫暗物質搜尋計畫”項目組成員之一。雷塞特爾表示,“就在我們的周圍,存在一種暗物質流。每時每刻都存在一種互動。”她是在美國物理學會一次會議上發表這一理論的。在最新一期《科學快訊》雜志上,雷塞特爾和同事們發表論文聲稱,他們發現了兩起事件,這些事件可能就是由暗物質撞擊探測器所引起的。雷塞特爾表示,“我們此前的探測結果從來沒有如此發現,這是首次。”

“低溫暗物質搜尋計畫”位于明尼蘇達州地下大約700米的一個礦井中。因此,礦井可以阻止其他任何物質抵達實驗設備,除了暗物質。這樣宇宙射線和其他粒子可能會與暗物質粒子混淆的可能性已基本被排除。探測器本身也主要是由鍺元素或矽元素組成的曲棍球形狀的小塊。如果鍺或矽原子的原子核被暗物質粒子擊中,它就會反彈並向探測器傳送一個信號。

科學家發現,宇宙中的暗物質與一些小型的臨近星系密切相關。這些星系隻有數顆恆星,但它們的質量卻是這些恆星單獨質量的一百倍。這種隱藏的物質就被科學家稱作暗物質。

然而,研究人員也無法完全確定他們所探測到的兩個信號究竟是由暗物質粒子還是由其他粒子引起的。這兩個信號太少,因此科學家們也無法確定。據科學家介紹,他們的計算曾經預測到背景可能會引起一次假事件。“低溫暗物質搜尋計畫”將繼續進行他們的實驗以期發現更多實質性的信號。

地球上另一項探尋暗物質的嘗試聚焦于強大的粒子加速器,這類加速器可以將亞原子粒子加速到接近光速,然後讓它們相互碰撞。科學家們希望通過這種難以置信的高速碰撞從而產生奇異粒子,其中包括暗物質粒子

然而,即使採用最強大的粒子加速器,至今也未能發現暗物質的任何跡象。美國馬裏蘭大學科學家薩拉-恩諾表示,“你也許會問為什麽會這樣,為什麽組成宇宙大部分的物質粒子為什麽在我們的加速器中從來沒有發現過。”原因之一可能就是他們的加速器還沒達到足夠強大。

科學家們也無法確定暗物質粒子究竟有多大,有多重,以及究竟需要多大的能量才能夠在實驗室中發現它們。或許在任何加速器中都無法找到暗物質粒子。恩諾表示,“我們或許不知道這樣一個事實,那就是暗物質粒子是我們無法製造或探測到的粒子。”

最大的希望就寄托于新型的粒子加速器大型強子對撞機身。恩諾表示,“大型強子對撞機或許會最終讓我們獲得足夠的能量以產生暗物質粒子,並在撞擊中發出它們。”恩諾也是大型強子對撞機緊湊型μ子螺旋型磁譜儀實驗項目組成員之一。

然而在小一些的尺度上,從1Mpc到星系的尺度(Kpc),就出現了不一致。幾年前這種不一致性就顯現出來了,而且它的出現直接導致了“現行的理論是否正確”這一至關重要的問題的提出。在很大程度上,理論工作者相信,不一致性更可能是由于我們對暗物質特徵假設不當所造成的,而不太可能是標準模型本身固有的問題。首先,對于大尺度結構,引力是佔主導的,因此所有的計算都是基于牛頓和愛因斯坦的引力定律進行的。在小一些的尺度上,高溫高密物質的流體力學作用就必須被包括進去了。其次,在大尺度上的漲落是微小的,而且我們有精確的方法可以對此進行量化和計算。但是在星系的尺度上,普通物質和輻射間的相互作用卻極為復雜。在小尺度上的以下幾個主要問題。亞結構可能並沒有CCDM數值模擬預言的那樣普遍。暗物質暈的數量基本上和它的質量成反比,因此應該能觀測到許多的矮星系以及由小暗物質暈造成的引力透鏡效應,但是觀測結果並沒有證實這一點。而且那些環繞銀河系或者其他星系的暗物質,當它們合並入星系之後會使原先較薄的星系盤變得比觀測到得更厚。

暗物質暈的密度分布應該在核區出現陡增,也就是說隨著到中心距離的減小,其密度應該急劇升高,但是這與我們觀測到的許多自引力系統的中心區域明顯不符。正如在引力透鏡研究中觀測到的,星系團的核心密度就要低于由大質量暗物質暈模型計算出來的結果。普通旋渦星系其核心區域的暗物質比預期的就更少了,同樣的情況也出現在一些低表面亮度星系中。矮星系,例如銀河系的伴星系玉夫星系和天龍星系,則具有與理論形成鮮明對比的均勻密度中心。流體動力學模擬出來的星系盤其尺度和角動量都小于觀測到的結果。在許多高表面亮度星系中都呈現出旋轉的棒狀結構,如果這一結構是穩定的,就要求其核心的密度要小于預期的值。

可以想象,解決這些日益增多的問題將取決于一些復雜的但卻是普通的天體物理過程。一些常規的解釋已經被提出來用以解釋先前提到的結構缺失現象。但是,整體上看,觀測證據顯示,從巨型的星系團(質量大于1015個太陽質量)到最小的矮星系(質量小于109個太陽質量)都存在著理論預言的高密度和觀測到的低密度之間的矛盾。

主要成分

成分測量

長久以來,最被看好的暗物質僅僅是假說中的基本暗性粒子,它具有壽命長、溫度低、無碰撞的特殊特徵。溫度低意味著在脫耦時它們是非相對論性粒子,隻有這樣它們才能在引力作用下迅速成團。壽命長意味著它的壽命必須與現今宇宙年齡相當,甚至更長。

暗物質暗物質

由于成團過程發生在比哈勃視界(宇宙年齡與光速的乘積)小的範圍內,而且這一視界相對宇宙而言非常的小,因此最先形成的暗物質團塊或者暗物質暈比銀河系的尺度要小得多,質量也要小得多。隨著宇宙的膨脹和哈勃視界的增大,這些最先形成的小暗物質暈會合並形成較大尺度的結構,而這些較大尺度的結構之後又會合並形成更大尺度的結構。其結果就是形成不同體積和質量的結構體系,定性上這是與觀測相一致的。

相反的,對于相對論性粒子,例如中微子,在物質引力成團的時期由于其運動速度過快而無法形成我們觀測到的結構。因此中微子對暗物質質量密度的貢獻是可以忽略的。在太陽中微子實驗中對中微子質量的測量結果也支持了這一點。無碰撞指的是暗物質粒子(與暗物質和普通物質)的相互作用截面在暗物質暈中小的可以忽略不計。這些粒子僅僅依靠引力來束縛住對方,並且在暗物質暈中以一個較寬的軌道偏心律譜無阻礙的作軌道運動。

研究人員使用美國宇航局費米伽馬射線太空望遠鏡對伽瑪射線“光束”進行探測,嘗試確定暗物質是否會產生神秘的“光束”。當前的暗物質理論認為暗物質可能是一類被稱為大質量弱相互作用粒子(WIMP),暗物質粒子質量可能比普通的粒子更大,而且不參與電磁力作用,運動的速度較為緩慢。大質量弱相互作用的粒子被認為擁有自身的“反粒子”,如果兩個WIMP粒子碰撞,就是發生湮滅,並發出伽瑪光子,這就解釋了銀河系中央暗物質集聚區為何發現神秘的伽瑪射線“光束”,美國宇航局的費米空望遠鏡已經觀測到了這個現象。

研究觀點

英國天文學家裏斯認為可能有三種候選者:第一種就是上面所述的小質量恆星或大行星;第二種是很早以前由超大質量恆星坍縮而成的200萬倍太陽質量左右的大質量黑洞;第三種是奇異粒子,如質量可能為20~49電子伏且與電子有聯系的中微子,質量為105電子伏的軸子或科學家所贊成的各種大統一理論所允許和需求的粒子。

歐洲核子研究中心的粒子物理學家伊裏斯認為,星系暈及星系團中最佳的暗物質候選者是超對稱理論所要求的S粒子。這種理論認為:每個已知粒子的基本粒子(如光子)必定存在著與其配對的粒子(如具有一定質量的光微子)。伊裏斯推薦四種最佳暗物質候選者:光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科學家還認為,這些粒子也是星系團之間廣大宇宙空間中的冷的暗物質候選者。跟普通物質一樣,暗物質具有引力作用,幾十億顆恆星正是在它們的幫助下聚集到星系裏。但是這種物質很難與普通物質發生互動,人們看不到它。

常見粒子

中微子是唯一一種曾在實驗室裏發現的暗物質粒子,但是它們幾乎是零質量,而且在暗物質的宇宙能量部分裏僅佔很小比例。天體物理學家認為,剩下的很大一部分是由弱相互作用大質量粒子(WIMP)構成,這種粒子的能量大約比質子多10到1000倍。如果兩個暗物質粒子撞在一起,它們就會彼此摧毀對方,產生伽馬射線。

一些星體演化到一定階段,溫度降得很低,已經不能再輸出任何可以觀測的電磁信號,不可能被直接觀測到,這樣的星體就會表現為暗物質。這類暗物質可以稱為重子物質的暗物質

還有另一類暗物質,它的構成的成分是一些帶中性的有靜止質量的穩定粒子。這類粒子組成的星體或星際物質,不會放出或吸收電磁信號。這類暗物質可以稱為非重子物質暗物質

低溫無碰撞暗物質

低溫無碰撞暗物質(CCDM)被看好有幾方面的原因。第一,CCDM的結構形成數值模擬結果與觀測相一致。第二,作為一個特殊的亞類,弱相互作用大質量粒子(WIMP)可以很好的解釋其在宇宙中的豐度。如果粒子間相互作用很弱,那麽在宇宙最初的萬億分之一秒它們是處于熱平衡的。之後,由于湮滅它們開始脫離平衡。根據其相互作用截面估計,這些物質的能量密度大約佔了宇宙總能量密度的20-30%。這與觀測相符。CCDM被看好的第三個原因是,在一些理論模型中預言了一些非常有吸引力的候選粒子。

中性子

其中一個候選者就是中性子(neutralino),一種超對稱模型中提出的粒子。超對稱理論是超引力和超弦理論的基礎,它要求每一個已知的費米子都要有一個伴隨的玻色子(尚未觀測到),同時每一個玻色子也要有一個伴隨的費米子。如果超對稱依然保持到今天,伴隨粒子將都具有相同質量。但是由于在宇宙的早期超對稱出現了自發的破缺,于是今天伴隨粒子的質量也出現了變化。而且,大部分超對稱伴隨粒子是不穩定的,在超對稱出現破缺之後不久就發生了衰變。但是,有一種最輕的伴隨粒子(質量在100GeV的數量級)由于其自身的對稱性避免了衰變的發生。在最簡單模型中,這些粒子是呈電中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候選者。如果暗物質是由中性子組成的,那麽當地球穿過太陽附近的暗物質時,地下的探測器就能探測到這些粒子。另外有一點必須註意,這一探測並不能說明暗物質主要就是由WIMP構成的。實驗還無法確定WIMP究竟是佔了暗物質的大部分還是僅僅隻佔一小部分。

軸子

另一個候選者是軸子(axion),一種非常輕的中性粒子(其質量在1μeV的數量級上),它在大統一理論中起了重要的作用。軸子間通過極微小的力相互作用,由此它無法處于熱平衡狀態,因此不能很好的解釋它在宇宙中的豐度。在宇宙中,軸子處于低溫玻色子凝聚狀態,已經建造了軸子探測器,探測工作也正在進行。

雖然人們已經對暗物質作了許多天文觀測,其組成成份至今(2011年)仍未能全然了解。早期暗物質的理論重在一些隱藏起來的一般物質星體,例如:黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。這些星體一般歸類為暈族大質量致密天體 (MAssive Compact Halo Objects,縮寫為:MACHOs),然而多年來的天文觀測無法找到足夠量的MACHOs。

渺中子湮滅產生次級粒子。當兩個渺中子發生碰撞就會產生誇克、輕子和玻色子,它們又會通過低能光子、γ射線和衰變過程產生正電子、電子、中微子、反質子和質子。 一般認為,難以探測的重子物質(如MACHOs以及一些氣體)確實貢獻了部分的暗物質,但證據指出這類的物質隻佔了其中一小部分。而其餘的部分稱作“非重子暗物質”。此外,星系轉速曲線、重力透鏡、宇宙結構形成、重子在星系團中的比例以及星系團豐度(結合獨立得到的重子密度證據)等觀測資料也指出宇宙中85-90%的質量不參與電磁作用。這類“非重子暗物質”一般猜測是由一種或多種不同于一般物質(電子、質子、中子、中微子等)的基本粒子所構成。

在眾多可能是組成暗物質的成分中,最熱門的要屬一種被稱為大質量弱相互作用粒子(英文叫做Weakly Interacting Massive Particle,簡稱WIMP)的新粒子。這種粒子與普通物質的作用非常微弱,以致于他們雖然存在于我們周圍,卻從來沒有被探測到過。

還有一種被理論物理學家提出來解決強相互作用中CP問題,被稱為軸子的新粒子,也很有可能是暗物質的成分之一。惰性中微子(sterile neutrino)也有可能是組成暗物質的一種成分.

理論成果

原質起源

美國紐約布魯克海文國家實驗室和英屬哥倫比亞大學的科學家,研究已發表在《物理評論快報》上。他們稱這種新機製為“原質起源論”(hylogenesis)。

英屬哥倫比亞大學克裏斯·西格森說:“我們正在努力把理論物理中的兩個問題一起解釋。這一機製將原子形成和暗物質聯系在一起,有助于解開重子不對稱的秘密,作為對整個暗物質加可見重子的平衡宇宙的一種重建。”

根據研究人員構建的機製,在物質形成景象中,早期宇宙產生了一種新粒子X和它的反粒子X-bar(帶等量相反電荷)。X和X-bar在可見部分能結合成為誇克(重子物質的基本組成,如質子和中子),在“隱匿”部分組成了粒子(由于這種粒子可見部分的相互反應是微弱的),如此,在大霹靂開始後的第一時刻,宇宙膨脹變熱時會有X和X-bar產生。

隨後,X和X-bar會衰變,部分變成可見的顯重子(尤其是中子,由一個上誇克和兩個下誇克組成),部分變成不可見的隱重子。據科學家解釋,X衰變成中子的頻率比X-bar衰變成反中子的頻率更高,同樣地,X-bar衰變為隱反粒子的頻率比X衰變為隱粒子的頻率要高。誇克形成的重子物質組成了我們所說的可見物質,隱反重子形成了我們所說的暗物質。這種陰—陽衰變方式使得可見物質的正重子數量和暗物質的負重子數量達到平衡。

英屬哥倫比亞大學特裏姆研究中心的肖恩·圖林說:“可見物質和暗物質的能量密度非常接近(1/5的不同)。在許多情況下,在廣大宇宙的早期,生成可見物質和暗物質的過程是互不相關的。于是,這1/5的因素要麽是早期出現的一個大偶然,要麽是兩種物質共同起源的重要線索。我認為,這為構建可見物質與暗物質起源的統一模型提供了主要依據。”

物理學家預測,這種物質形成機製將為尋找暗物質提供一個全新途徑,它們會留下一些可在實驗室探測到的特征標記。科學家解釋說,當暗物質反粒子和一個普通原子粒子相撞而湮滅時,就會產生爆發的能量。盡管這非常稀有,但在地球上尋找質子自發衰變的實驗中,能探測到暗物質。

在天體物理學觀測和離子加速器資料中,也可能會出現其他原質起源的信號。研究人員表示,今後也會在研究中考慮這些可能性。

理論模型

歷史上,人們將可能的暗物質分為三個大類:冷暗物質、溫暗物質、熱暗物質。 這個分類並非依照粒子的真實溫度,而是依照其運動的速率。

冷暗物質:在古典速度下運動的物質。

溫暗物質:粒子運動速度足以產生相對論效應。

熱暗物質:粒子速度接近光速。

雖然可以有第四個稱為復合暗物質(mixed dark matter)的分類,但是這個理論在20世紀90年代由于暗能量的發現而被舍棄。

暗物質 - 探測實驗

暗物質的探測在當代粒子物理及天體物理領域是一個很熱門的研究領域。對于大質量弱相互作用粒子來說,物理學家可能通過放置在地下實驗室,背景噪聲減少到極低的探測器直接探測WIMP,也可以通過地面或太空望遠鏡對這種粒子在星系中心,太陽中心或者地球中心湮滅產生的其他粒子來間接探測。

探測方法

觀測手段

1、引力透鏡法

2、旋渦星系的旋轉曲線

3、星系中的恆星或星系團中的星系的速度彌散

4、星系團(及橢圓星系)的X射線氣體的流體靜力學平衡方法

5、星系團的蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效

直接探測

間接探測WIMP。WIMP偶爾會撞上一個原子核。這一碰撞會散射原子核,進而使之和周圍的原子核發生碰撞。由此科學家可以探測到這些相互作用所釋放出的熱量和閃光。對于暗物質的直接探測實驗一般都這設定于地底深處,以排除宇宙射線的背景噪聲。這類的實驗室包括美國的Soudan mine和DUSE、加拿大的SNOLAB地下實驗室、義大利的大薩索國家實驗室(Gran Sasso National Laboratory)以及英國的Boulby mine。

2011年,大部分的實驗使用低溫探測器或惰性液體探測器。低溫探測器是在低于100mK的環境下探射粒子撞擊鍺這類的晶體接收器所產生的熱。惰性液體探測器則是探測液態氙或液態氬中粒子碰撞產生的閃爍。低溫探測實驗包括了CDMS、CRESST、EDEDWEISS及EURECA。惰性液體探測實驗包含了ZEPLIN、XENON、DEAP、ArDM、WARP和LUX。這兩種探測技術都能夠從其他粒子與電子對撞的噪聲中辨識出暗物質與核子的碰撞。其他種類的探測器實驗有SIMPLE和PICASSO。

方向性的暗物質探測方式是運用太陽系繞行銀河系的運動。利用低壓TPC,我們可以得知反彈路徑的資訊,並借此去了解WIMP與原子核的作用。從太陽行進方向入射的WIMP訊號可以從各向同性的背景噪聲中分離出來。這類的探測實驗包括有DMTPC、DRIFT、Newage和MIMAC。

2009年12月17日,CDMS的研究團隊發表了兩個可能的WIMP事件。他們估計這兩起事件來自已知背景訊號(中子、錯認的β射線或是伽馬射線)的可能性是23%,並作出了這樣的結論:“這個分析結果無法被視作WIMP的有力證據,但我們不能排除這兩起事件來自WIMP的可能性。”

2011年5月,CoGeNT實驗公布先前15個月的探測結果,顯示粒子的碰撞率呈現周期性變化,夏天較高而冬天比較低,這可以看作是暗物質存在的證據之一。這個結果支持已經進行了13年的義大利的DAMA/LIBRA暗物質探測實驗。CoGeNT的實驗結果顯示,探測到的WIMP的質量是中子質量的5到10倍,這與某些其他的實驗結果不符,但是其他實驗對低能暗物質的探測精度沒有CoGeNT高。

間接探測

暗物質的間接探測主要是觀測其兩兩湮滅時所產生的訊號。 由于其湮滅所產生的粒子與其暗物質的模型有關,有許多種類的實驗被提出。 假使暗物質是馬約拉那粒子,則兩個暗物質對撞會湮滅產生伽馬射線或正負粒子對。如此可能會在星系暈生成大量伽馬射線、反質子和正電子。然而在完全了解其他來源的背景噪聲以前,這類的探測不足以當作暗物質的決定性證據。

EGRET伽馬射線望遠鏡過去觀測到了超出預期量的伽馬射線,但科學家認為這多半是來自系統中的效應。自2008年6月11日開始啓動的費米伽馬射線太空望遠鏡則正在搜尋暗物質湮滅產生伽馬射線的事件。在較高能量區間,地上的MAGIC伽馬射線望遠鏡已經對矮橢球星系以及星系團中的暗物質給予了某些限製。

探測項目

CDMS

低溫暗物質搜尋項目(CDMS),旨在使用探測器探測粒子間的互動,找到暗物質粒子引起的運動。美國科學家在位于加利福尼亞大學校園的隧道裏的實驗室2009年檢測到了兩種可能來自于暗物質粒子的信號。但他們同時表示,這些信號與暗物質粒子的相似度不高。他們在明尼蘇達州的Souden煤礦地下約714米處安裝更高級的實驗室設備,以進行二期低溫暗物質搜尋項目(CDMSⅡ)。暗物質現象會被進入地球的宇宙射線幹擾,要減少宇宙射線μ介子粒子的背景信號影響,唯一的辦法是到地底深處,這樣才有把握確認暗物質的構成。

AMS

AMS也被稱為反物質磁譜儀,配備了超導磁鐵和超高精度探測器,主要目的是探測宇宙中的反物質和暗物質,第一台AMS-01在1998年進入軌道。科學家認為阿爾法磁譜儀探測到的資料已經開啟了一個全新世界的大門,這台價值20億美元的儀器將揭開宇宙中的暗物質之謎,初步估計幾個月內將公布重大的發現。宇宙的暗物質被認為隻產生引力效應,不參與電磁力作用,我們可見的宇宙物質僅為4%,暗物質則佔了23%,其餘的為暗能量。暗物質的充斥著整個宇宙空間,將星系包圍,科學家已經察覺到暗物質的存在,但是從來沒直接觀測到它的存在。

AMSAMS

丁肇中團隊使用的阿爾法磁譜儀(AMS),是安置于太空中的精密粒子探測裝置,是至2013年以來靈敏度最高,也是最復雜、最昂貴的一台暗物質探測設備,代表了當今科學實驗的最高技術手段,由16個國家和地區的600餘名科學家歷時近18年完成,耗資21億美元,實驗過程可能持續15至20年。

CCDM

由于綜合了CCDM,標準模型在數學上是特殊的,盡管其中的一些參數至今還沒有被精確的測定,但是我們依然可以在不同的尺度上檢驗這一理論。能觀測到的最大尺度是CMB(上千個Mpc)。CMB的觀測顯示了原初的能量和物質分布,同時觀測也顯示這一分布幾近均勻而沒有結構。下一個尺度是星系的分布,從幾個Mpc到近1000個Mpc。在這些尺度上,理論和觀測符合的很好,這也使得天文學家有信心將這一模型拓展到所有的尺度上。

探測成就

2012年4月,密歇根大學的Katherine Freese與瑞典斯德哥爾摩大學的Christopher Savage 計算出了暗物質和人體組織發生相互作用的幾率。Freese和Savage計算了在平均尺寸的人體中,有多少原子核與穿過的暗物質粒子發生了碰撞。這裏的平均尺寸,他們是指一塊主要由氫、氧、碳、氮等元素構成的70公斤的肉塊。他們說暗物質與人體中氫原子核和氧原子核發生碰撞的可能性很大。關于暗物質的一般假設認為,碰撞一般每天發生大約30次,得到的計算結果是,地球上每個人每年要承受100000次的暗物質粒子碰撞。

暗物質暗物質

2012年5月初,根據幾項暗物質探測項目獲得的資料進行計算的結果顯示,平均大約1分鍾就會有一顆暗物質粒子擊中人體。由于它們和常規物質發生相互作用的幾率非常低,這當然也就意味著WIMP的撞擊將不會給人體帶來什麽大的風險。然而當兩顆WIMP粒子相互撞擊時會發生湮滅反應,在這一過程中所釋放出的能量就會大的多。美國密歇根大學下屬密歇根理論物理研究中心教授凱瑟琳·弗萊瑟(Katherine Frees)認為:這兩顆粒子的質量都相當于質子質量的100倍,當兩者相撞時,它們將擁有200倍質子質量的能量釋放。這將是非常劇烈的。如果這種WIMP粒子湮滅反應發生在人體內,它將可能導致對人體有害的突變。當然,發生這種事件的概率非常低。

它就是暗物質,一個讓物理學界追尋半個多世紀的謎。但這個謎可能很快揭曉。當地時間3日,諾貝爾獎得主、華裔物理學家丁肇中及其阿爾法磁譜儀項目團隊宣布,已借助阿爾法磁譜儀發現40萬個正電子,這些正電子很可能就來自人類一直尋找的暗物質。

安裝于空間站上的阿爾法磁譜儀(AMS),科學家已經發現與暗物質有關的線索,低溫暗物質搜尋、大型地下氙氣實驗等都在努力尋找暗物質的蹤影。

阿姆斯特丹大學天體物理學家Christoph Weniger認為已經有跡象表明我們已經探測到暗物質粒子,費米望遠鏡正在對銀河系中央天區進行掃描。費米空間望遠鏡升空以來,已經被用于多個領域的觀測,其中包括對脈沖星和超大質量黑洞的發現任務,探索此類天體與伽瑪射線之間的關系。哈佛大學天體物理學家道格·芬克拜納認為費米空間望遠鏡為暗物質探索提供了一個新的途徑,我們已經開始了一個新的觀測戰略,答案將在2015年揭曉。

科學家們希望確定銀河系中央附近是否存在其他類型的伽瑪射線,這些“光束”可能處于130GeV左右的能量區間上,對此,科學家也假設了是否是儀器問題導致的觀測異常,加州大學天體物理學西蒙娜·穆爾賈稱除了130GeV的光子外,我們還在2-3GeV能量區間內發現了低能伽瑪射線。

最新報道

據國外媒體報道,美國宇航局的哈勃太空望遠鏡和錢德拉X射線天文台觀測到暗物質的新行為,研究人員發現當暗物質之間發生相互“碰撞”時並不會降低其運行速度,這意味著暗物質粒子之間的相互作用比我們之前認為的要弱許多。圖中顯示的為哈勃望遠鏡與錢德拉空間天文台的資料疊加圖像,藍色的為哈勃觀測結果,粉紅色的為錢德拉資料,展示了六個不同星系團暗物質之間碰撞的過程,這項調查共涉及72個大型星系團。

暗物質暗物質

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