暗物质:宇宙中最神秘的物质之一 已经逼疯科学家了

文明城市 356 0

【什么是暗物质

我们所看到的一切,从人类到城市,到布满夜空的数百万颗恒星,都是由同一种东西构成的——普通物质。

然而你知道吗?所有这些物质只是宇宙中所有物质的很小的一部分。

在宇宙中还有一些另一种的东西——暗物质。我们看不见它,也摸不着它,但在我们的宇宙中却充满着这样的不见的暗物质,它甚至可能是包括我们在内的所有的万物存在的关键。

这种古怪物质所组成的网络,将组成我们宇宙的诸多星系联系起来。虽然我们看不到也感觉不到这种神秘的东西,但科学家们非常确定它的存在,因为科学家们可以检测到它的引力。

这的确非常奇怪,你所看到的、你所知道的和你所经历的一切,实际上只是宇宙中最微小、最微小的一部分。而宇宙中的大多数物质却是由一种我们还没有发现的物质构成的这种奇怪的幽灵物质叫做暗物质。

大多数科学家认为,暗物质是一种基本粒子,存在于辽阔的宇宙中,就像是一张看不见的大网连接着组成我们宇宙的2万亿星系。

如果你能戴上某种能探测到暗物质的面具或护目镜,你会看到每秒有数百万个暗物质穿过你的身体,数百万计,数十亿计的暗物质一直围绕在你身边。

那么科学家们如何确信存在暗物质的呢?

1933年,瑞士裔美国物理学家弗里茨·兹威基在一个名为后发星系团的遥远星系群中追踪一些星系奇怪的运动。

这些星系正以令人费解的速度围绕星团加速,这些星系竟然以每秒1000英里的速度移动。

根据现有的物理理论,在这样的速度下,星系团的星系应该像烟花的火花一样飞舞,而不会仍然束缚在星团中。

兹威基意识到必须有额外的东西才能束缚这些星系。这是科学家首次提出暗物质概念。

事实上,后发星系团不是一个孤立的案例。

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毕星团

这是毕星团。这个由700颗恒星组成的家族,距离地球有150光年的距离。在宇宙尺度上,就好像是在我们的后院。由于毕星团确实离地球很近,所以可以用肉眼就能看到它。

当你抬头仰望夜空时,毕星团位于金牛座,是V字形状。毕星团是科学家们在整个天空中研究得最为深入的星团之一。

科学家们发现有两条星尾从星团中心延伸出来,它们应该大致相等,但其中一条尾巴正在流失恒星。有东西扰乱了它,并对对它施加了一种力把恒星从轨道上扯了下来。

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毕星团中一条“尾巴”正在流失恒星

具有巨大引力的物体经过星团并夺走了星团中的恒星。这个巨大引力的物体高达太阳质量的1000万倍。按理,这个可怕的“宇宙劫匪”应该可以被发现。

但当科学家们把望远镜指向它应该在的地方时,那个区域却是空的,那里什么都没有。科学家们知道那外面有什么东西,但看不见,并且很强大。

那会是什么呢?一个主要的“嫌疑犯”就会被叫进来,一个物理学的幽灵——暗物质。

事实上,天文学家在星系内部看到了同样的动态。在完全由引力控制的系统中,离中心最远的物体完成一个轨道所需的时间最长。但在许多星系中,外部恒星的轨道运行速度几乎与核心恒星相同,这几乎就像一张碟片的照片,那张碟片的每一部分都像一张实心光盘一样旋转。

恒星的速度太快,星系的引力应该无法保持住,它们应该直接飞入太空,整个星系应该会分崩离析。

可以想象一下,拿一盘面团旋转起来做披萨,当旋转得越快,那些外部区域就越远,最终,面团会飞到任何地方。

然而,星系并没有发生这个现象。物理学家对此现象作了一个解释,星系位于一个巨大的、由不可见的暗物质组成的球体中,正是这种额外的质量使得恒星在星系边缘能够快速旋转。

通过计算将这些高速运行的外部恒星与星系相结合所需的质量,物理学家能够估算出相比与暗物质,那里应该有多少普通物质。

结果令人震惊,所有我们认为存在的普通物质大概只占我们宇宙的15%。

也就是说,我们已知的物质甚至不是主要物质。宇宙中的主要物质竟然是那些我们看不见也摸不着的暗物质。

【暗物质引力透镜】

既然暗物质占了宇宙物质的很大部分,那么由暗物质组成的巨大团块就会形成一个引力透镜。首次发现暗物质在遥远星系团的巨大爆炸中展示它的空间扭曲能力是在2014年11月,探测到 Refsdal 超新星的爆炸。

超新星就是大质量恒星的爆炸,光线会向四面八方发射,其中一部分射向地球。地球上的科学家也看到了闪光。

然而令科学家奇怪的是,又出现另一个闪光,而且一次又一次地看到闪光。科学家们看到在天空中四个部分发生爆炸。

更离奇的是,一年后,在天空的另一个完全不同的地方发生了第五次爆炸。分析证明,这些多重爆炸是同一颗超新星。

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Refsdal 超新星

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天空中四个部分发生爆炸的Refsdal 超新星

所以,在这颗垂死的恒星和科学家们的望远镜之间有一个巨大质量的暗物质——一个巨大的引力透镜。

这意味着一些光线将需要更长的时间更复杂的路径穿过这个时空区域。暗物质透镜将一颗超新星变成一场持续一整年的烟花表演。

暗物质对这颗超新星发出光的轨迹影响非常大,以至于其中一些轨迹增加了整整一光年。这也是暗物质存在的有力线索。

【暗物质是如何塑造宇宙的】

既然暗物质才是最重要的,那么暗物质是如何塑造我们今天所看到的宇宙的呢?

要弄清楚这个问题,最好的办法是回溯到万物诞生的那一刻,宇宙大爆炸。

138亿年前,一个温度无限高、密度无限大的能量点突然爆炸。这个奇点就是新生的宇宙,一个无限热,除了纯粹的能量什么都没有的点。

随着它的逐渐扩张,并开始冷却,一些能量凝聚集起来形成微小的亚原子粒子。但这些粒子并不是构成你我的质子或电子,而是暗物质的微粒。

如果暗物质是由奇异亚原子粒子组成的,那么这些粒子很可能是在宇宙大爆炸之后,非常非常早的时间产生的。

大爆炸后的瞬间,甚至在普通物质还不存在的时候,暗物质就诞生了。宇宙大爆炸还不到一秒钟时,它的密度和热度令人难以置信。

在这个有限的空间里,暗物质粒子紧紧地挤在一起,碰撞就不可避免。这些粒子在相互碰撞时,相互湮灭,并释放出一股能量和生成一些新的东西即普通物质的亚原子粒子,并最终构成我们能看到的宇宙的物质。

在早期宇宙中,两个碰撞并湮灭的暗物质粒子产生了一个电子,现在这个电子就是我们身体的一部分。所以从某种程度上说,我们可能实际上是暗物质的孩子。

科学家们认为,是暗物质粒子互相相撞,从而构成了我们今天在宇宙中看到的所有普通物质。这是因为,科学家们推论暗物质粒子是一个比质子质量大100倍的粒子,但与普通物质不同的是,它不与光或其他任何物质相互作用。

暗物质的最有可能的身份是一种叫做弱相互作用的大质量粒子,简称为WIMP粒子。

这种粒子诞生于宇宙大爆炸中,一直留存至今。之所以WIMP粒子的呼声最高,是因为如果把它们的特性应用到大爆炸的计算机模拟中,最终会生成的宇宙与我们今天看到的宇宙非常相似:由84%的暗物质,和只有16%的普通物质构成。

科学家们得到的数字大致相当于科学家们在宇宙中推断的暗物质的数量。如果目前的推论是正确的,那么宇宙的亚原子组成部分,就是由大质量弱相互作用粒子相互碰撞而形成的。

当然暗物质在构建宇宙中扮演了重要的角色,这个只是科学家们的推论。但暗物质可能回答了宇宙学的一个重大谜团:即在早期宇宙中充满的原始气体是如何聚集在一起并最终形成第一批恒星的。

这个谜团始于宇宙开始爆炸还不到一秒的时候,它突然爆炸膨胀,在十亿亿亿亿亿分之一秒的时间内(普朗克秒)我们的宇宙体积膨胀了10的90多次方倍。宇宙的体积从单个原子的大小,变成了篮球的那么大。而时间只是一秒的一小部分的一小部分的一小部分。

关于普朗克秒,事实上,从宇宙大爆炸到现在所有经历的秒数还没有一秒内的普朗克秒数多,前者是4.3乘10的18次方,而一秒内的普朗克秒数为1乘10的43次方。相比而言,前者简直是个很小的数字。

这种快速膨胀产生了一个巨大的均匀分布的粒子辽阔海洋,这些粒子冷却后形成氢和氦原子。这些气体有朝一日会在万有引力的作用下崩塌成为第一批恒星。

但还有个问题,早期宇宙中的气体分布太均匀,太平滑,引力不足以拉动某些部分并触发气体区域崩塌和聚集。

如果宇宙是完全平滑的,那么它将是美丽而乏味的。因为我们看不到任何东西,一定有什么东西导致了平滑的气体海洋崩塌并形成了第一批恒星。

在这里我们必须要提到两个理论:海森堡不确定性原理和杨振宁的宇称不守恒理论。在这两个理论提出之前,科学家们认为,宇宙是对称的,平衡的,即宇称守恒。

当我们看到一辆汽车、一个跑步者、甚至一个宇宙飞船时,我们能计算它们的运动量。但在新生宇宙的微观量子世界里,海森堡不确定性原理认为不存在这种确定性,没有什么东西有明确的动量或位置。宇称不守恒用实验更加充分的证明了不对称。

由于没有任何东西被锁定在固定的位置,在膨胀的宇宙中,可能会出现波动或沟槽。当宇宙迅速膨胀时,这些波动会在某些地方固定,于是就会形成致密的点,围绕这些点的气体云就可能会崩塌,就像形成恒星的引力种子一样。

幸运的是,这些微小的种子波动就像一种宇宙DNA,决定着结构层在哪里,什么时候以及如何成长为恒星、行星和我们在当今世界看到的所有其他令人敬畏的结构。

虽然海森堡不确定性原理和宇称不守恒理论只适用于量子力学中的微小事物,但最终却决定了我们所知的宇宙中最大的结构。所以真的要感谢海森堡和杨振宁。

现在科学家们似乎解开了宇宙结构演变的谜团。但还是有一个问题,如果计算一下就会发现,仅仅只是气体的质量,并不能产生足够的引力来创造我们今天在宇宙中看到的所有恒星。

一定是别的什么东西给坍塌的气体云增加了质量,这种东西有可能是暗物质吗?

科学家们认为,如果只有正常物质,那么结果就是,事情的发展不可能这么快,宇宙就不会形成现在的结构。

科学家们可以计算出自宇宙诞生以来,没有足够的时间让正常物质崩塌形成星系、恒星、行星和人类。许多科学家现在认为,加速恒星形成的额外推动力就是看不见的暗物质的引力。

尽管暗物质和正常物质不能直接相互作用,但它们确实通过引力相互作用。这对我们的存在至关重要。如果把暗物质放进去,一切就都顺理成章了,这样我们的宇宙就会运转得很好了。

随着早期宇宙的膨胀,温度逐渐降低,这里是氢气和氦气的海洋,周围还有很多暗物质,它们聚集在膨胀宇宙的起伏或凹槽中,形成了强引力区域。

这就是为什么暗物质在创造我们今天生活着的这个更有趣的宇宙的过程中起着至关重要的作用。这些暗物质团的引力牵引着氢和氦元素并聚集成巨大的云团,云团就变得越来越紧密,直到它们引发核聚变。

我们宇宙中的第一批恒星由此诞生,这都要感谢暗物质,暗物质是形成恒星、黑洞、行星的最初动力。

【早期宇宙超大质量黑洞之谜】

但当天文学家回望早期宇宙时,他们发现这些恒星并不孤单存在的,它们的周围都存在着一个怪物——超大质量黑洞。

一个真正的谜团就是,为什么我们在极早期宇宙能看到了一些超大质量黑洞。从大爆炸到科学家们研究这些天体存在的时期,真的没有足够的时间让它们长到这么大。

超大质量黑洞是早期宇宙的重量级黑洞,有些黑洞的质量甚至是太阳的120亿倍。它们是如何这样迅速地变得如此巨大的?这一直是宇宙学中最大的谜团之一。

一些科学家认为,这些早期黑洞的起源可能是由一个叫做暗星的奇怪巨星形成的。暗星将是宇宙中最早形成的恒星,它们形成于宇宙诞生仅仅大约2亿年前的时间。

这些都是古老的天体,所以它们是由普通物质构成的。主要成份是氢气和氦气,但它们是由暗物质驱动的。

当这些巨大的早期恒星在早期宇宙中形成时,它们巨大的引力将暗物质粒子拖入核心,这些粒子相互撞击释放出能量。每当它们相遇,它们就会湮灭并变成别的东西,这意味着释放了大量的热量和能量。

正是这种能量可以为恒星提供动力,所以有可能在一些恒星中,它们的内部反应实际上是由暗物质驱动的。即暗物质的湮灭提供了能量并保持这些恒星的发光。

万分之一的暗物质就可以为一颗巨大的恒星提供能量。暗物质湮灭产生的能量,使暗星变得超级巨大。这些早期的物体真的很奇怪,它们温度很低,但体型真的很大。他们的尺寸可能是地球到太阳距离的10倍。

但是当内部的暗物质燃料耗尽时,这些巨大的恒星已经没有任何东西可以支撑它们了,于是就会崩塌。如果它足够大,就会直接坍塌成一个黑洞。因为这颗坍塌的恒星非常巨大,所以它形成的新黑洞也是超大质量的。

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暗星直接坍塌成一个黑洞

暗物质在宇宙早期扮演了非常重要的角色,那么现在宇宙中又扮演什么角色呢?

【宇宙中的最大结构——宇宙网】

我们的主星,太阳只是组成我们银河系的2000亿颗恒星之一。但是这辽阔的星系最初是如何形成的?

如果用想象中的暗物质护目镜观察银河系,你会发现一个线索。

围绕银河系的暗物质光环帮助星系形成,它能提供引力,让物质聚集起来进化成我们的星系,这可能就是我们的银河系形成的原因。

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左边为正常物质视角下的银河系,右边暗物质视角下的银河系

引力来自这个巨大的结构,吸引普通物质聚焦在中间,并最终形成我们的银河系。

当天文学家把视线望向整个宇宙时,他们发现了更加令人震惊的现象。

过去,天文学家认为星系在宇宙中的分布是随机的,但最近的观测发现了一些非同寻常的东西。宇宙中似乎有一张非常巨大的网,这张“网”实际上横跨了已知的宇宙,由星系组成的细丝绵延数亿光年形成。

为了了解这些巨大的星系结构是如何形成的,天文学家使用了像阿塔卡马大型毫米波阵列(简称Alma)这样的望远镜。

这是一个由66个射电望远镜组成的阵列,它的威力可以追溯到最早星系结构形成的数十亿年前。阿尔玛实际上可以回顾宇宙的历史,看到这些巨大的新生星系正在形成类似的结构,有点像原始长城。

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阿塔卡马大型毫米波阵列

阿尔玛让科学家们窥见早期宇宙是如何进化的。它发现,随着宇宙的膨胀,新生的星系与相邻居的星系排列起来,就好像膨胀的宇宙正在产生粘性的细丝,建造新星系的材料就像苍蝇粘在蜘蛛丝上一样粘在这些线上。

原来这些看不见的细丝就是暗物质,就像是一个暗物质的支架,把普通物质附着到上面去。

当宇宙膨胀时,最初的暗物质团并没有其他团膨胀得那么快,它们像粘糊糊的太妃糖一样粘在一起。

强大的引力将它们塑造成细丝,这些细丝形成了一个由暗物质链组成的伸展网,延伸到整个宇宙。

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宇宙网

这种暗物质网的引力,随后引来的普通物质,在这些暗物质丝相遇并聚集的地方最终塌陷形成星系。较厚的细丝吸收了更多的气体,为星系团提供了物质基础。这些星系实际上是沿着这些巨大的细丝坠落在宇宙中,直径达数亿光年。

如果没有暗物质,它们就不会存在。而星系本身也因为这个巨大的结构而得以形成。如今的星系、恒星和行星以及今天在这里的我们都是因为暗物质提供了这个结构框架。

【暗物质有可能是黑洞吗?】

令人遗憾的是,虽然在过去的50年里科学家们对暗物质有了这些研究,但他们仍然不知道暗物质到底是什么。因为科学家们无法测量它们,也看不见或感觉不到的它们。

科学家们可以确定,它不会与光相互作用,它不发光也不反光。所以如果你用激光束照射暗物质,激光束就会直接穿过,不会有任何反应。

到目前为止,暗物质只是一种理论猜想,尽管有时候,科学家的想法会像黑洞一样变成现实。因为黑洞曾是科幻小说和科学家们的噩梦,如今已被证实为现实。

而现在,科学家们发现,黑洞和暗物质有很多相似之处。首先都是一个看不见的物质集合,创造了一个巨大的引力场,相同;然后都会使光线弯曲并产生引力透镜效应,相同;都是已知物理学的边缘,还是相同;

那么暗物质是黑洞吗?

当大质量恒星爆炸时,黑洞就出现了,它们剩余的质量会压缩成一个密度极高的球体,连光都无法逃脱它的引力。

但这正是黑洞和暗物质理论的不足之处。科学家们知道黑洞的存在,他们知道它们是如何形成的,他们也知道它们的数量远远不够成为暗物质。

在宇宙的历史上,没有足够多的恒星通过生存和死亡来创造宇宙中85%的物质。如果暗物质是由黑洞组成的,那么它们一定是一种全新的物质。有可能这些黑洞是我们从未见过的类型,它们可能是原始黑洞。

原始黑洞是一种想法,这是一个我们从未见过的概念理论,但它们有可能存在。如果原始黑洞是真实存在的,那么宇宙中充满了黑洞。

最小的黑洞可以将埃弗火山的质量压缩到一个原子的大小。最大的可能是太阳质量的几十万甚至几百万倍。

史蒂芬·霍金在20世纪70年代首次提出原始黑洞可能是暗物质。这个理论的中心思想是在138亿年前那个无形的时刻——宇宙大爆炸,发生了什么?

理论认为,原始黑洞形成于早期宇宙的开头几分之一秒,这是宇宙从一个针孔到巨大的膨胀气体球之间的时间。

在宇宙存在的最初时刻,物质被紧密地包裹着,但分布并不均匀。即使是密度上最微小的波动都可能引发引力坍缩。换句话说,理论上,黑洞到处都在形成,而且数量巨大。

在我们的宇宙中,一秒钟过后就已经产生了质量比太阳大成千上万倍的黑洞。这些物体的总质量可能非常大。

但它们有可能是宇宙物质的85%吗?如果原始黑洞确实存在那就足以解释暗物质了。

这是一个诱人的可能性,但有一个相当大的问题,对大多数科学家来说,宇宙早期的物理是不完整的,所以很难让人信服。一代又一代的物理学家将原始黑洞斥为神话、幻想、天体物理学中的独角兽。

2019年5月一场剧烈的宇宙事件震撼了美国。路易斯安那州和华盛顿州之间,一个物理距离几乎是一个原子的宽度的事件,却是震撼人心的大事。

激光干涉引力波观测仪简称“LIGO”,探测到这种时空摆动。这种宇宙扰动似乎来自于黑洞的碰撞,但关键不是普通的死亡恒星类型。

在 LIGO 的探测中,其中一个黑洞的质量是太阳的85倍,一颗恒星不可能形成这样的黑洞。

物理学家认为,在一定质量范围内垂死的恒星不会坍缩成黑洞,相反,这个区域的恒星变得异常热,会撕裂自己,它们无法压缩成黑洞。

85倍太阳质量正好位于这个所谓的禁止质量范围的中间。LIGO 探测到的黑洞不可能是死亡恒星,理论上它可能是原始的黑洞。

原始黑洞非常吸引人,因为它们可以解决暗物质问题。但不幸的是,事情没那么简单,如果在宇宙中充斥着原始黑洞,那么问题是应该会发生很多碰撞。

所以 LIGO 应该不只观测到一次,而是应该观测到上千次这样的碰撞,但科学家们没有观测到这一现象。

许多科学家怀疑 LIGO 观测到的是原始黑洞。对他们来说这些庞然大物只是物理学上的童话故事,只是转移人们对暗物质存在的可靠证据的注意力。

【追踪暗物质】

暗物质存在吗?还是科学家们只是在追踪影子?

一些科学家认为这不仅是真实的,而且暗物质就在我们的掌握之中,而且它现在正在我们的身体中穿梭。然而,我们从来没有发现它,哪怕是一丁点。

科学家们目前无法证明暗物质的存在,但根据理论,弱相互作用大质量粒子会自我湮灭,WIMP A和WIMP B靠得太近,它们就会爆炸,并产生伽马射线。伽马射线是高能量的光,很容易被发现。

于是,科学家们把他们的探测器对准了银河系的中心,他们认为在那里 WIMP 的碰撞率应该特别高。

因为那里有个400万个太阳质量的黑洞,那里有数十亿颗恒星,那里是星系密度最大的地方,所以任何绕星系运行的 WIMP 都会感受到这种对中心的自然引力,并向中心坠落。

费米伽马射线太空望远镜对银河系中心进行了10多年的探测,它探测到了大量的伽马射线。

但科学家无法确定这些射线是否来自于相互碰撞的WIMP。

银河系中心一片混乱,那里有恒星爆炸,大量的恒星、气体、磁场、黑洞,大量的伽马射线源。所以很难分辨出信号。

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费米伽马射线太空望远镜

银河系的中心是一个灾难区,因此,科学家们将注意力转向了生活在噪声较小的星系区域的行星。在那里 WIMP 碰撞应该更容易被发现,可能会在一个地方看到WIMP碰撞的证据。

那就是系外行星的核心,事实证明,系外行星可能是科学家们最好的暗物质探测地。可以利用围绕遥远恒星运行的巨大行星作为实验室来了解暗物质。

由于引力会吸引 WIMP,引力越大,聚集在一起的暗物质粒子就越多。在这些超大的气体巨行星中WIMP可以碰撞、湮灭并释放出伽马射线。如果这些WIMP正在聚集系外行星的质量中心,那么暗物质的湮灭就会使这些系外行星升温。

如果有红外望远镜,就能看到红外线,如果有足够的敏感度,就能够测量这些物体的温度。但像这样的专用望远镜要到2028年才能发射。对于一些暗物质探测者来说,等待太久了。

他们认为WIMP确实有一个特征可以让我们在地球上探测到它们。即他们是弱相互作用,并不是没有相互作用。它们确实相互作用,只是与物质的作用很弱,这意味着在极少数情况下,它会撞到正常物质的粒子,然后我们就可以观察到一些影响。

在意大利中部的格兰萨索,科学家们正在观察WIMP撞击正常物质原子时产生的能量火花。他们的探测器是一箱超级冷却的氙气,建在地表下几千英尺的地方。

把探测器放在山下的好处是,周围所有的岩石和土壤,以及其他东西能阻挡很多背景噪音。当你在寻找WIMP交互时,是在寻找一些非常罕见的东西,一些非常微妙的东西,所以不希望有其他东西发生,不希望其他粒子进来破坏你的实验。

这些弱相互作用的大质量粒子会穿过这座山,然后如果它们撞到氙原子上,我们可以看到它。探测到WIMP可能是暗物质存在的决定性证据。

2020年,科学家们在研究结果中发现了一些东西。科学家可以看到整个液态氙在亚原子碰撞中发生了一点点震动。粒子碰撞产生的振动强度是至关重要的。

理论上,WIMP 撞击氙原子应该会产生强大的冲击,但实验检测到的振动太弱了。当WIMP通过时,它会撞向原子,而现在,就好像有什么东西在震动原子外面的电子。

所以,不管是什么导致了这些探测结果,都可能是比WIMP小得多的东西。从表面上我们看这些实验结果——如果他们是正确的,这就告诉我们暗物质不是WIMP,而是更小更轻的物质。

结果表明,撞击液态氙的实际上是一种更小的理论粒子,称为轴子。

轴子是一种非常奇怪的粒子,非常轻。事实上,轴子的质量几乎为零。一个轴子的大小不超过一个电子的1500亿分之一。

与WIMP相比,轴子就像足球与我们的太阳相比。轴子纯粹的齿状结构让它们看起来不太可能是暗物质的候选者。

如果轴子就是暗物质,它占了宇宙中物质的85%,那么轴子数量将达到几乎不可思议的量:142 Trigintillion。Trigintillion是英语的大数单位,1个Trigintillion就是1后面93个0。

【还有其他方法寻找暗物质吗?】

所以,为了证明暗物质的存在,也许科学家们应该寻找暗物质形成的恒星。它们没有理由不存在,它们甚至还有个名字叫“幽灵星”。

这些幽灵星与我们在夜空中看到的任何东西都不一样,科学家们从未见过幽灵星,他们是理论上的东西,应该像其他恒星一样由引力拉在一起形成。

它们将是巨大的、密度极高的物体,漂浮在太空中。它们的质量可以达到数千万个太阳的质量。但由于它们是由暗物质构成的,所以幽灵星不会产生能量也不会发出光。它们对光和物质都是透明的。如果你就在它旁边,你根本不会注意到它。如果我们发射探测器,就会穿过它。不过一旦它穿过,就会被它的引力拉回来。

宇宙中85%的物质可能是由极小的暗物质粒子组成的透明球体。但这些看不见的恒星存在吗?证据不足!

这时,科学家们又想起了2019年LIGO的探测。引力波探测器捕捉到两个大质量物体碰撞的信号,科学家们称该事件为 GW190521。

大多数科学家认为这是一次黑洞碰撞,但它会是碰撞的幽灵星吗?如果那里有幽灵星,而且它们可以通过引力相互作用,那么它们就可能会发生碰撞。当它们这样做时,它们会发射引力波,而这看起来很像两个黑洞碰撞。

理论上像 GW190521的一次碰撞,它看起来有两种解释:原始黑洞或幽灵星。但LIGO无法区分它们。

这些想法会让科学家更接近证明暗物质的存在吗?或者科学家只是在一个奇怪物理的兔子洞里飞得更远。

暗物质的确是个非常大的谜团,科学家知道它就在那里,也看到了它的影响,但就是“抓”不住它。虽然科学家有想法,有理论,但没有直接的观察,科学家就是无法用坚实的证据来证实它们。

也许暗物质根本不存在,科学家们寻找的通过引力影响着宇宙的一种无形的物质根本不存在,也许只是科学家还不太了解引力。

如果一个星系旋转得太快了,要么是星系中有一种新的成分,比如暗物质,把它联系在一起,或者科学家们已经误解了物理定律。

为了描述引力的影响,科学家们使用了艾萨克·牛顿有近350年历史的数学。为了解释在宇宙中看到的多余引力,也许科学家们需要的不是额外的物质,而是更好的数学。

虽然科学家们很清楚在地球和太阳系引力是如何运作的,也许当达到星系尺度时,它的行为就会略有不同。如果是这样的话,可以稍微调整一下这个想法,直到它符合科学家们所看到的不需要暗物质的星系旋转的数据。

质疑一个物理学传奇的数学。可能听起来像是亵渎神灵。但为了解决暗物质之谜,科学家们已经这么做了。

它被称为修正牛顿动力学简称MOND。用这种数学方法模拟星系会得到非常不同的结果。从表面上看,MOND是个不错的主意,就像科学家们通常会给计算机编程,把暗物质包括在计算机模拟中一样。

科学家们用另一个引力定律MOND来编程,然后建立一种有质量的旋转气体。通过MOND似乎可以让事情稳定下来,看起来有点像一个真正的星系。

改变万有引力定律精确地再现了天文学家通过望远镜看到的超高速旋转,不需要暗物质,它不存在。

那么,这样是否就解决了暗物质问题呢?

绝对不是!对于任何比星系大的物体,这种人造物理就会失效。MOND在星系尺度上表现得很好,但是当把它放大到宇宙中越来越大的结构中,比如星系团,非常大的结构。就会发现MOND本身并不能复制科学家们所有的观测结果。好像缺了点什么,很遗憾,还是绕不开“暗物质”!

在MOND中,仍然需要引用你看不见的物质。这在某种程度上否定了MOND的意义。MOND不能取代暗物质,宇宙仍然需要一些东西来维系它,科学家们只是不理解它是什么。

好吧,暗物质还是“暗”的,还是一个谜团,本篇科普文似乎说了个“寂寞”。

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标签: 暗物质 暗能量

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