暗物质

  • 更新时间: 2017-06-19
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暗物质(Dark Matter)是一种因存在现有理论无法解释的现象而假想出的物质,比电子和光子还要小的物质,不带电荷,不与电子发生干扰,能够穿越电磁波和引力场,是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小,但是数量庞大,因此它的总质量很大,它们代表了宇宙中26%的物质含量,其中人类可见的只占宇宙总物质量的5%不到(约4.9%)。暗物质无法直接观测得到,但它能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。

暗物质存在的最早证据来源于对矮椭球星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、天文观测和膨胀宇宙论研究表明:宇宙的密度可能由约68.3%的暗能量,4.9%的重子物质,26.8%暗物质组成。

新计算机模型:暗物质并非由重粒子组成。[1] 科学家1月29日在阿奇夫论文预印本网站上发表报告称,美国航空航天局的钱德拉X射线天文台的数据显示,以特定能量发出的超量X射线令图表上出现一个隆起。众所周知,X射线谱线能揭示暗物质的存在。暗物质是一种未知的物质,科学家认为宇宙绝大部分由其构成。

1 研究历史

研究历程

21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。暗物质存在于人类已知的物质之外,人们知道它的存在,但不知道它是什么,它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中,暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质还是个谜。科学家认为,整个宇宙有84.5%是由暗物质构成,但一直未能证明其存在。[3] 已有不少天文学家认为,宇宙中90%以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着。天文学家们称,根据当前一些统计资料显示,我们平常看不见的暗物质很可能占有宇宙所有物质总量的95%,而人类可以看到的物质只占宇宙总物质量的不到5%。

20世纪30年代,荷兰天体物理学家奥尔特指出:为了说明恒星的运动,需要假定在太阳附近存在着暗物质;同年代,茨维基从室女星系团诸星系的运动的观测中,也认为在星系团中存在着大量的暗物质;美国天文学家巴柯的理论分析也表明,在太阳附近,存在着与发光物质几乎同等数量看不见的物质。

1930年初,瑞士天文学家扎维奇发表了一个惊人结果:在星系团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的。不过,扎维奇的结果许多人并不相信。

自20世纪70年代以来,科学家们根据对许多大型天体之间,如星系之间的引力效果的观测发现,常规物质不可能引起如此大的引力,因此暗物质的存在理论被广泛认同。

2006年1月6日报道,剑桥大学天文研究所的科学家们在历史上第一次成功确定了广泛分布在宇宙间的暗物质的部分物理性质。从事此项研究的科学家们已准备将此项研究结果公开发表。

2006年,美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-56进行观测,无意间观测到星系碰撞的过程,星系团碰撞威力之猛,使得黑暗物质与正常物质分开,因此发现了暗物质存在的直接证据。天文学家推测,宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量,暗物质占宇宙25%,暗能量占70%,通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。因此,探测和研究暗物质很可能导致物理学界新的革命。

2007年1月,暗物质分布图终于诞生了!经过4年的努力,70位研究人员绘制出这幅三维的“蓝图”,勾勒出相当于从地球上看,8个月亮并排所覆盖的天空范围中暗物质的轮廓。这张图是通过引力透镜原理获得的。马赛天文物理实验室的让-保罗·克乃伯(Jean-Paul Kneib)参加了这张分布图的绘制工作,他认为这种“面包丁”的形状自25亿年以来就没有很大改变,所以我们看到的也就是暗物质的形状。

2007年5月16日出版的《天体物理学杂志》称,约翰斯·霍普金斯大学天文学家小组利用哈勃太空望远镜,探测到了位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质[4] 。天文学家们称,这是迄今为止能证明暗物质存在的最强有力的证据。这一重大发现刊登在上。 研究小组成员、天文学家詹姆斯·杰说,“这是第一次探测到有着独特结构的暗物质,它的环状结构与星系团内部星系以及热气体的结构截然不同[4] ”。这将有助于天文学家分析暗物质与普通物质的区别,理解引力作用是如何影响暗物质的[4]

2009年12月21日,科学家在Souden煤矿中发现暗物质,这是迄今为止最有力的发现暗物质证据。其他实验也在探寻来自暗物质的信号,比如地下氙(Lux)实验。美国费米太空望远镜则试图定位暗物质,寻找其在空间湮没(暗物质发生碰撞时,两个粒子将生成可以被探测器接收到的γ射线)的证据,但目前没有任何发现。

2010年12月12日,中国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”于在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用,锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米,是当前世界岩石覆盖最深的实验室。它的建成标志着中国已经拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台,能够自主开展像暗物质探测这样的国际最前沿的基础研究课题。清华大学实验组的暗物质探测器已经率先进入实验室,并启动探测工作,而2012年上海交通大学等研究团队也将进入这里开展暗物质的探测研究。

2011年5月,意大利暗物质探测无果,该研究结果质疑其它发现暗物质的结果。有科学研究表明,大麦哲伦星系(距离银河系约16万光年)未被银河系的引力撕碎的原因可能是因为暗物质的影响,使大麦哲伦星系幸免于难。

至2013年,寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘、结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。诺贝尔物理学奖获得者李政道教授曾多次指出:“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云,它将预示着物理学的又一次革命。”

——已发现的40万个正电子可能来自一个共同之源,即脉冲星或人们一直寻找的暗物质。

日内瓦时间2013年4月3日下午5点(北京时间2013年4月4日零点),诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授在日内瓦欧洲核子中心,首次公布其领导的阿尔法磁谱仪(AMS)项目18年之后的第一个实验结果,让人类在认识暗物质的道路上迈出重要一步。丁肇中团队借助阿尔法磁谱仪已发现40万个正电子,这40万个正电子可能来自一个共同之源,即脉冲星或人们一直寻找的暗物质(正电子是反物质,和暗物质是完全不同的概念)。阿尔法磁谱仪首批研究成果“将有助于促进对基础物理学和天体物理学领域新的理解”,“我们期盼更多来自这一项目的令人激动的成果”。该成果有可能证明暗物质确实存在。

2013年4月18日,美国物理学会的科学家报告称,在实验中发现大质量弱相互作用粒子的信号强度达到3个西格玛水平,他们发现暗物质的可能性达到99.8%。

北京时间2014年9月18日,程林教授团队与丁肇中合作的AMS项目重大成果发布会在瑞士日内瓦举行,丁肇中主持的实验室公布AMS项目最新研究成果,宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质。丁肇中特委托山东大学程林教授在国内发布有关成果。在已完成的观测中,证明暗物质存在实验的6个有关特征中,已有5个得到确认。

星系研究

“暗物质”星系团,也被称为“子弹星系团”,距离地球38亿光年。通过研究这类星系团,科学家能够测量出暗物质的不可见影响。子弹星系团是两个星系团碰撞的产物。其中普通物质——高温气体(粉色,X射线波段)——会碰撞、损失能量、运动速度变慢。星系团中的暗物质(蓝色,引力透镜观测)间相互作用很弱,可以彼此穿过。 据美国太空网报道,神秘的暗物质一直以来都是自然界的未解之谜,引起了科学家们的探索和争论。美国“低温暗物质搜寻计划”项目组科学家研究指出,暗物质或许就存在于地球之上。 暗物质就因为它“模糊、隐晦”的特点而很难发现。事实上,科学家们也不知道究竟何为暗物质。由于暗物质既不释放任何光线,也不反射任何光线,因此最强大的天文望远镜都无法直接探测到它。

科学家们发现螺旋星系NGC 4736的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释,也就是说这个星系没有暗物质或者暗物质很少。

Abell 2390星系团和暗物质星系团,距离我们约有20亿光年远。右半方的影像,是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片,而相对应的左半方影像,是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中,可以看到数量众多的星系,但在X射线影像里,这些星系的踪影却无处可寻,只见到一团温度有数百万度,而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外,这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量,它们所产生的重力,并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算,这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已!在右方哈勃望远镜的深场影像里,重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量,大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为,星系团内大部分的物质,是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“暗物质”。

在大视场望远镜所拍摄的天空照片上已发现了暗于14星等,不到半个太阳质量的M型矮星。由于太阳位于银河系中心平面的附近,从探测到的M型矮星的数目可推算出,它们大概能提供银河系应有失踪质量的另一半。且每一颗M型星发光,有几万年。所以人们认为银河系中一定存在着许许多多的这些小恒星“燃烧”后的“尸体”,足以提供理论计算所需的全部暗物质。

美国科学家称,他们通过一种最新的理论研究发现,地球和月球之间其实隐藏着大量神秘的暗物质。这一观点也许可以用来解释所谓的“飞行异常”奇怪现象。当太空飞行器进入太空之前、尚在地球周围不断加速的过程中,所有飞行器都曾有过奇怪的速率变化过程。而根据已知的万有引力定律,不应该出现这种现象。于是有些科学家认为,这种飞行异常表明现有物理定律以及万有引力定律存在问题,爱因斯坦的广义相对论需要修正。当然这只是一种较为激进的看法。

德国慕尼黑大学天文台的约尔格·迪特里希及其研究团队已探测到一个超星系团的丝状物中的暗物质成分。这个超星系团名为“阿伯尔222/223”,距地球约27亿光年。巨大的丝状物产生的引力使得从地球发射至遥远星系的光束发生弯曲。迪特里希的研究团队利用这种光束,计算出“阿伯尔222/223”超星系团丝状物的质量并绘制出它的形状。附近正常物质的炽热气体发出的X射线表明,正常物质是该超星系团丝状物的组成部分,但仅占其质量的10%。其余部分一定是暗物质。迪特里希说,这表明这些丝状物是“将宇宙中的星系团连接在一起的暗物质网络的一部分”。

霍普和他的科研组通过对费米伽马射线太空望远镜在两年多时间里传回地球的数据进行分析,发现这种高能死亡信号。费米太空望远镜是美国宇航局的伽马射线望远镜,主要用来扫描银河的高能活跃区。他们发现,发出信号的相撞在一起的暗物质粒子,比质子大约重8到9倍。霍普说:“它比我们大部分人猜测的结果可能更轻一些。迄今为止我们很擅长这方面。不过人们猜测的暗物质粒子的重量范围不会一成不变。”该科研组在银河核心处一个直径100光年的区域收集到的数据里发现这些信号。霍普解释说,他们之所以会关注这个区域,是因为它是暗物质最喜欢的聚集地,银河这个区域的暗物质密度,是银河边缘的10万倍。简而言之,银河核心就是一个暗物质大量聚集在一起,经常相撞的地方。

研究结论

直到1978年才出现第一个令人信服的证据,这就是测量物体围绕星系转动的速度。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离,就可以测出太阳的总质量。同理,根据物体(星体或气团)围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离,就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现,星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。

观测结果和理论分析均表明漩涡星系外围存在着大质量的暗晕。科学家们借助强功率天文望远镜(包括架设在智利的甚大天文望远镜VLT --Very Large Telescope)对距离银河系不远的矮星系进行了共达23夜的研究,此后科学家们还通过约7000余次的计算得出结论称:在他们所观测的这些矮星系中,暗物质的含量是其它普通物质的400多倍。此外,这些矮星系中物质 粒子的运动速度可达每秒9公里,其温度可达10000℃。同时科学家们还观测到,暗物质与其它普通物质还有着巨大的差异,如:尽管观测目标的温度是如此之高,但是这样的高温却不会产生任何辐射。据领导此项研究的杰里-吉尔摩教授认为,暗物质微粒很有可能不是由质子和中子构成的。然而在此之前科学家们曾一贯认为,暗物质应该是由一些“冷”粒子构成的,这些粒子的运动速度也不会太高。

暗物质研究专家们还表示,宇宙间最小的连续存在的暗物质片段大小也有1000光年,这样的暗物质片段质量约是太阳的30多倍。科学家们还在此次研究中确定出了暗物质微粒分布的密度,譬如,在地球上每立方厘米的空间如果能够容纳1023个物质粒子,那么对于暗物质来说这么大的空间只能容纳约三分之一的微粒。

宇宙学家表示,他们已经在银河核心深处发现与暗物质粒子有关的最令人信服的证据。该地的这种神秘物质相撞在一起产生伽马射线的次数,比天空中的其他临近区域更频繁。费米实验室的天体物理学家克雷格·霍甘并没参与这项研究,他说:“这是我所知道的第一项通过一个简单粒子模型,把少量与暗物质的证据有关的线索拼接在一起的研究。虽然它还没有充足证据,但它令人兴奋,值得我们去追根究底。”暗物质从137亿年前开始在庞大的能量膨胀——宇宙大爆炸过程中形成。能量冷却后形成普通物质、暗物质和暗能量,它们在宇宙中的比例分别是4%、23%和73%。

芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳表示,好消息是几项有希望的暗物质探测试验正在进行。相干锗中微子技术(CoGeNT)等深埋地下的探测器可助霍普一臂之力。该探测器近几年可能已经发现弱相互作用大质量粒子的迹象。特纳说:“这十年是暗物质的十年。这个问题即将解决。现在所有这些探测器都在观测正确方位。”他预测未来数年将会被铭记为“大质量弱相互作用粒子(WIMP)的十年”,而且通过一系列的研究,包括利用大型强子对撞机制造WIMP等,暗物质的性质将逐渐呈现在我们面前。[10]

2015年5月13日,由北京师范大学天文系教授张同杰领衔的宇宙中微子数值模拟团队,在“天河二号”超级计算机系统上,日前成功完成3万亿粒子数的宇宙中微子和暗物质数值模拟,揭示了宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的演化进程。

2 物质分布

天文学的观测表明,宇宙中有大量的暗物质,特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计,宇宙的总质量中,重子物质约占2%,也就是说,宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%,98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中,非重子物质的暗物质当中,冷暗物质约占70%,热暗物质约占30%。

宇宙中的某些地方没有任何暗物质和可见物质,而它们在另外一些地方却异常密集:暗物质聚集在一起,星系则挂靠在暗物质上,就像挂在钩子上的画。

美国明尼苏达大学科学家安吉拉-雷塞特尔是“低温暗物质搜寻计划”项目组成员之一。雷塞特尔表示,“就在我们的周围,存在一种暗物质流。每时每刻都存在一种交互。”她是在美国物理学会一次会议上发表这一理论的。在最新一期《科学快讯》杂志上,雷塞特尔和同事们发表论文声称,他们发现了两起事件,这些事件可能就是由暗物质撞击探测器所引起的。雷塞特尔表示,“我们此前的探测结果从来没有如此发现,这是首次。”

“低温暗物质搜寻计划”位于明尼苏达州地下大约700米的一个矿井中。因此,矿井可以阻止其他任何物质抵达实验设备,除了暗物质。这样宇宙射线和其他粒子可能会与暗物质粒子混淆的可能性已基本被排除。探测器本身也主要是由锗元素或硅元素组成的曲棍球形状的小块。如果锗或硅原子的原子核被暗物质粒子击中,它就会反弹并向探测器发送一个信号。

科学家发现,宇宙中的暗物质与一些小型的临近星系密切相关。这些星系只有数颗恒星,但它们的质量却是这些恒星单独质量的一百倍。这种隐藏的物质就被科学家称作暗物质。

然而,研究人员也无法完全确定他们所探测到的两个信号究竟是由暗物质粒子还是由其他粒子引起的。这两个信号太少,因此科学家们也无法确定。据科学家介绍,他们的计算曾经预测到背景可能会引起一次假事件。“低温暗物质搜寻计划”将继续进行他们的实验以期发现更多实质性的信号。

地球上另一项探寻暗物质的尝试聚焦于强大的粒子加速器,这类加速器可以将亚原子粒子加速到接近光速,然后让它们相互碰撞。科学家们希望通过这种难以置信的高速碰撞从而产生奇异粒子,其中包括暗物质粒子。

然而,即使采用最强大的粒子加速器,至今也未能发现暗物质的任何迹象。美国马里兰大学科学家萨拉-恩诺表示,“你也许会问为什么会这样,为什么组成宇宙大部分的物质粒子为什么在我们的加速器中从来没有发现过。”原因之一可能就是他们的加速器还没达到足够强大。

科学家们也无法确定暗物质粒子究竟有多大,有多重,以及究竟需要多大的能量才能够在实验室中发现它们。或许在任何加速器中都无法找到暗物质粒子。恩诺表示,“我们或许不知道这样一个事实,那就是暗物质粒子是我们无法制造或探测到的粒子。”

最大的希望就寄托于新型的粒子加速器大型强子对撞机身。恩诺表示,“大型强子对撞机或许会最终让我们获得足够的能量以产生暗物质粒子,并在撞击中发出它们。”恩诺也是大型强子对撞机紧凑型μ子螺旋型磁谱仪实验项目组成员之一。

然而在小一些的尺度上,从1Mpc到星系的尺度(Kpc),就出现了不一致。几年前这种不一致性就显现出来了,而且它的出现直接导致了“现行的理论是否正确”这一至关重要的问题的提出。在很大程度上,理论工作者相信,不一致性更可能是由于我们对暗物质特性假设不当所造成的,而不太可能是标准模型本身固有的问题。首先,对于大尺度结构,引力是占主导的,因此所有的计算都是基于牛顿和爱因斯坦的引力定律进行的。在小一些的尺度上,高温高密物质的流体力学作用就必须被包括进去了。其次,在大尺度上的涨落是微小的,而且我们有精确的方法可以对此进行量化和计算。但是在星系的尺度上,普通物质和辐射间的相互作用却极为复杂。在小尺度上的以下几个主要问题。亚结构可能并没有CCDM数值模拟预言的那样普遍。暗物质晕的数量基本上和它的质量成反比,因此应该能观测到许多的矮星系以及由小暗物质晕造成的引力透镜效应,但是观测结果并没有证实这一点。而且那些环绕银河系或者其他星系的暗物质,当它们合并入星系之后会使原先较薄的星系盘变得比观测到得更厚。

暗物质晕的密度分布应该在核区出现陡增,也就是说随着到中心距离的减小,其密度应该急剧升高,但是这与我们观测到的许多自引力系统的中心区域明显不符。正如在引力透镜研究中观测到的,星系团的核心密度就要低于由大质量暗物质晕模型计算出来的结果。普通旋涡星系其核心区域的暗物质比预期的就更少了,同样的情况也出现在一些低表面亮度星系中。矮星系,例如银河系的伴星系玉夫星系和天龙星系,则具有与理论形成鲜明对比的均匀密度中心。流体动力学模拟出来的星系盘其尺度和角动量都小于观测到的结果。在许多高表面亮度星系中都呈现出旋转的棒状结构,如果这一结构是稳定的,就要求其核心的密度要小于预期的值。

可以想象,解决这些日益增多的问题将取决于一些复杂的但却是普通的天体物理过程。一些常规的解释已经被提出来用以解释先前提到的结构缺失现象。但是,总体上看,观测证据显示,从巨型的星系团(质量大于1015个太阳质量)到最小的矮星系(质量小于109个太阳质量)都存在着理论预言的高密度和观测到的低密度之间的矛盾。

3 发现证据


1915年,爱因斯坦根据他的相对论得出推论:宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为:宇宙是有限封闭的。如果是这样,宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是,迄今可观测到的宇宙的密度,却比这个值小100倍。也就是说,宇宙中的大多数物质“失踪”了,科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。

最早提出证据并推断暗物质存在的是20世纪30年代荷兰科学家Jan Oort与美国加州理工学院的瑞士天文学家弗里兹·扎维奇等人。

1932年,美国加州工学院的瑞士天文学家弗里兹·扎维奇最早提出证据并推断暗物质的存在。弗里兹·扎维奇观测螺旋星系旋转速度时,发现星系外侧的旋转速度较牛顿重力预期的快,故推测必有数量庞大的质能拉住星系外侧组成,以使其不致因过大的离心力而脱离星系。

弗里兹·扎维奇发现,大型星系团中的星系具有极高的运动速度,除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上,否则星系团根本无法束缚住这些星系。

暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物,之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知,但是到了80年代,占宇宙能量密度大约20%的暗物质已被广为接受了

在引入宇宙膨胀理论之后,许多宇宙学家相信我们的宇宙是一个平行的空间,而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的(这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的)。与此同时,宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙,其中能量密度都以物质的形式出现,包括4%的普通物质和96%的暗物质与暗能量。但事实上,观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差,但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值,而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。

不过,我们忽略了极为重要的一点,那就是暗物质促成了宇宙结构的形成,如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星,更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性,但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团以及星系长城。而在大尺度上能够促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力,因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落,而这些涨落会在宇宙微波背景(CMB)中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹,因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。

另一方面,不与辐射耦合的暗物质,其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后,已经成团的暗物质就开始吸引普通物质,进而形成了我们观测到的结构。这需要一个初始的涨落,但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质,由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。

在开始阐述这一模型的有效性之前,必须先交待一下其中一件重要的事情。对于先前提到的小扰动(涨落),为了预言其在不同波长上的引力效应,小扰动谱必须具有特殊的形态。为此,最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说,如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和,那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。“大爆炸”初期暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱(其谱指数n=1)。WMAP的观测结果证实了这一预言。

但是如果我们不了解暗物质的性质,就不能说我们已经了解了宇宙。我们还不清楚暗物质的特性,甚至还没有一种理论说有某个备选粒子可能是暗物质的基础离子。

4 主要成分

成分测量

长久以来,最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子,它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子,只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当,甚至更长。

由于成团过程发生在比哈勃视界(宇宙年龄与光速的乘积)小的范围内,而且这一视界相对宇宙而言非常的小,因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多,质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大,这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构,而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系,定性上这是与观测相一致的。

相反的,对于相对论性粒子,例如中微子,在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点。无碰撞指的是暗物质粒子(与暗物质和普通物质)的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方,并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。

研究人员使用美国宇航局费米伽马射线太空望远镜对伽玛射线“光束”进行探测,试图确定暗物质是否会产生神秘的“光束”。当前的暗物质理论认为暗物质可能是一类被称为大质量弱相互作用粒子(WIMP),暗物质粒子质量可能比普通的粒子更大,而且不参与电磁力作用,运动的速度较为缓慢。大质量弱相互作用的粒子被认为拥有自身的“反粒子”,如果两个WIMP粒子碰撞,就是发生湮灭,并发出伽玛光子,这就解释了银河系中央暗物质集聚区为何发现神秘的伽玛射线“光束”,美国宇航局的费米空望远镜已经观测到了这个现象。

研究观点

英国天文学家里斯认为可能有三种候选者:第一种就是上面所述的小质量恒星或大行星;第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的200万倍太阳质量左右的大质量黑洞;第三种是奇异粒子,

如质量可能为20~49电子伏且与电子有联系的中微子,质量为105电子伏的轴子或科学家所赞成的各种大统一理论所允许和需求的粒子。

欧洲核子研究中心的粒子物理学家伊里斯认为,星系晕及星系团中最佳的暗物质候选者是超对称理论所要求的S粒子。这种理论认为:每个已知粒子的基本粒子(如光子)必定存在着与其配对的粒子(如具有一定质量的光微子)。伊里斯推荐四种最佳暗物质候选者:光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科学家还认为,这些粒子也是星系团之间广大宇宙空间中的冷的暗物质候选者。跟普通物质一样,暗物质具有引力作用,几十亿颗恒星正是在它们的帮助下聚集到星系里。但是这种物质很难与普通物质发生互动,人们看不到它。

常见粒子

中微子是唯一一种曾在实验室里发现的暗物质粒子,但是它们几乎是零质量,而且在暗物质的宇宙能量部分里仅占很小比例。天体物理学家认为,剩下的很大一部分是由弱相互作用大质量粒子(WIMP)构成,这种粒子的能量大约比质子多10到1000倍。如果两个暗物质粒子撞在一起,它们就会彼此摧毁对方,产生伽马射线。

一些星体演化到一定阶段,温度降得很低,已经不能再输出任何可以观测的电磁信号,不可能被直接观测到,这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。

还有另一类暗物质,它的构成的成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质,不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。

低温无碰撞暗物质

低温无碰撞暗物质(CCDM)被看好有几方面的原因。第一,CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二,作为一个特殊的亚类,弱相互作用大质量粒子(WIMP)可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱,那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后,由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计,这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是,在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。

中性子

其中一个候选者就是中性子(neutralino),一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础,它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子(尚未观测到),同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天,伴随粒子将都具有相同质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺,于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且,大部分超对称伴随粒子是不稳定的,在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是,有一种最轻的伴随粒子(质量在100GeV的数量级)由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中,这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的,那么当地球穿过太阳附近的暗物质时,地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意,这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。

轴子

另一个候选者是轴子(axion),一种非常轻的中性粒子(其质量在1μeV的数量级上),它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用,由此它无法处于热平衡状态,因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中,轴子处于低温玻色子凝聚状态,已经建造了轴子探测器,探测工作也正在进行。

虽然人们已经对暗物质作了许多天文观测,其组成成份至今(2011年)仍未能全然了解。早期暗物质的理论重在一些隐藏起来的一般物质星体,例如:黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。这些星体一般归类为晕族大质量致密天体 (MAssive Compact Halo Objects,缩写为:MACHOs),然而多年来的天文观测无法找到足够量的MACHOs。

渺中子湮灭产生次级粒子。当两个渺中子发生碰撞就会产生夸克、轻子和玻色子,它们又会通过低能光子、γ射线和衰变过程产生正电子、电子、中微子、反质子和质子。 一般认为,难以探测的重子物质(如MACHOs以及一些气体)确实贡献了部分的暗物质,但证据指出这类的物质只占了其中一小部分。而其余的部分称作“非重子暗物质”。此外,星系转速曲线、重力透镜、宇宙结构形成、重子在星系团中的比例以及星系团丰度(结合独立得到的重子密度证据)等观测数据也指出宇宙中85-90%的质量不参与电磁作用。这类“非重子暗物质”一般猜测是由一种或多种不同于一般物质(电子、质子、中子、中微子等)的基本粒子所构成。

在众多可能是组成暗物质的成分中,最热门的要属一种被称为大质量弱相互作用粒子(英文叫做Weakly Interacting Massive Particle,简称WIMP)的新粒子。这种粒子与普通物质的作用非常微弱,以致于他们虽然存在于我们周围,却从来没有被探测到过。

还有一种被理论物理学家提出来解决强相互作用中CP问题,被称为轴子的新粒子,也很有可能是暗物质的成分之一。惰性中微子(sterile neutrino)也有可能是组成暗物质的一种成分.

5 理论成果

原质起源

美国纽约布鲁克海文国家实验室和英属哥伦比亚大学的科学家,研究已发表在《物理评论快报》上。他们称这种新机制为“原质起源论”(hylogenesis)。

英属哥伦比亚大学克里斯·西格森说:“我们正在努力把理论物理中的两个问题一起解释。这一机制将原子形成和暗物质联系在一起,有助于解开重子不对称的秘密,作为对整个暗物质加可见重子的平衡宇宙的一种重建。”

根据研究人员构建的机制,在物质形成景象中,早期宇宙产生了一种新粒子X和它的反粒子X-bar(带等量相反电荷)。X和X-bar在可见部分能结合成为夸克(重子物质的基本组成,如质子和中子),在“隐匿”部分组成了粒子(由于这种粒子可见部分的相互反应是微弱的),如此,在大爆炸开始后的第一时刻,宇宙膨胀变热时会有X和X-bar产生。

随后,X和X-bar会衰变,部分变成可见的显重子(尤其是中子,由一个上夸克和两个下夸克组成),部分变成不可见的隐重子。据科学家解释,X衰变成中子的频率比X-bar衰变成反中子的频率更高,同样地,X-bar衰变为隐反粒子的频率比X衰变为隐粒子的频率要高。夸克形成的重子物质组成了我们所说的可见物质,隐反重子形成了我们所说的暗物质。这种阴—阳衰变方式使得可见物质的正重子数量和暗物质的负重子数量达到平衡。

英属哥伦比亚大学特里姆研究中心的肖恩·图林说:“可见物质和暗物质的能量密度非常接近(1/5的不同)。在许多情况下,在广大宇宙的早期,生成可见物质和暗物质的过程是互不相关的。于是,这1/5的因素要么是早期出现的一个大偶然,要么是两种物质共同起源的重要线索。我认为,这为构建可见物质与暗物质起源的统一模型提供了主要依据。”

物理学家预测,这种物质形成机制将为寻找暗物质提供一个全新途径,它们会留下一些可在实验室探测到的特征标记。科学家解释说,当暗物质反粒子和一个普通原子粒子相撞而湮灭时,就会产生爆发的能量。尽管这非常稀有,但在地球上寻找质子自发衰变的实验中,能探测到暗物质。

在天体物理学观测和离子加速器数据中,也可能会出现其他原质起源的信号。研究人员表示,今后也会在研究中考虑这些可能性。

理论模型

历史上,人们将可能的暗物质分为三个大类:冷暗物质、温暗物质、热暗物质。 这个分类并非依照粒子的真实温度,而是依照其运动的速率。

冷暗物质:在古典速度下运动的物质。

温暗物质:粒子运动速度足以产生相对论效应。

热暗物质:粒子速度接近光速。

虽然可以有第四个称为复合暗物质(mixed dark matter)的分类,但是这个理论在20世纪90年代由于暗能量的发现而被舍弃。

暗物质 - 探测实验

暗物质的探测在当代粒子物理及天体物理领域是一个很热门的研究领域。对于大质量弱相互作用粒子来说,物理学家可能通过放置在地下实验室,背景噪声减少到极低的探测器直接探测WIMP,也可以通过地面或太空望远镜对这种粒子在星系中心,太阳中心或者地球中心湮灭产生的其他粒子来间接探测。

6 探测方法

观测手段

1、引力透镜法

2、旋涡星系的旋转曲线

3、星系中的恒星或星系团中的星系的速度弥散

4、星系团(及椭圆星系)的X射线气体的流体静力学平衡方法

5、星系团的苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效

直接探测

间接探测WIMP。WIMP偶尔会撞上一个原子核。这一碰撞会散射原子核,进而使之和周围的原子核发生碰撞。由此科学家可以探测到这些相互作用所释放出的热量和闪光。对于暗物质的直接探测实验一般都这设置于地底深处,以排除宇宙射线的背景噪声。这类的实验室包括美国的Soudan mine和DUSE、加拿大的SNOLAB地下实验室、意大利的大萨索国家实验室(Gran Sasso National Laboratory)以及英国的Boulby mine。

2011年,大部分的实验使用低温探测器或惰性液体探测器。低温探测器是在低于100mK的环境下探射粒子撞击锗这类的晶体接收器所产生的热。惰性液体探测器则是探测液态氙或液态氩中粒子碰撞产生的闪烁。低温探测实验包括了CDMS、CRESST、EDEDWEISS及EURECA。惰性液体探测实验包含了ZEPLIN、XENON、DEAP、ArDM、WARP和LUX。这两种探测技术都能够从其他粒子与电子对撞的噪声中辨识出暗物质与核子的碰撞。其他种类的探测器实验有SIMPLE和PICASSO。

方向性的暗物质探测方式是运用太阳系绕行银河系的运动。利用低压TPC,我们可以得知反弹路径的资讯,并借此去了解WIMP与原子核的作用。从太阳行进方向入射的WIMP讯号可以从各向同性的背景噪声中分离出来。这类的探测实验包括有DMTPC、DRIFT、Newage和MIMAC。

2009年12月17日,CDMS的研究团队发表了两个可能的WIMP事件。他们估计这两起事件来自已知背景讯号(中子、错认的β射线或是伽马射线)的可能性是23%,并作出了这样的结论:“这个分析结果无法被视作WIMP的有力证据,但我们不能排除这两起事件来自WIMP的可能性。”

2011年5月,CoGeNT实验公布先前15个月的探测结果,显示粒子的碰撞率呈现周期性变化,夏天较高而冬天比较低,这可以看作是暗物质存在的证据之一。这个结果支持已经进行了13年的意大利的DAMA/LIBRA暗物质探测实验。CoGeNT的实验结果显示,探测到的WIMP的质量是中子质量的5到10倍,这与某些其他的实验结果不符,但是其他实验对低能暗物质的探测精度没有CoGeNT高。

间接探测

暗物质的间接探测主要是观测其两两湮灭时所产生的讯号。 由于其湮灭所产生的粒子与其暗物质的模型有关,有许多种类的实验被提出。 假使暗物质是马约拉那粒子,则两个暗物质对撞会湮灭产生伽马射线或正负粒子对。如此可能会在星系晕生成大量伽马射线、反质子和正电子。然而在完全了解其他来源的背景噪声以前,这类的探测不足以当作暗物质的决定性证据。

EGRET伽马射线望远镜过去观测到了超出预期量的伽马射线,但科学家认为这多半是来自系统中的效应。自2008年6月11日开始启动的费米伽马射线太空望远镜则正在搜寻暗物质湮灭产生伽马射线的事件。在较高能量区间,地上的MAGIC伽马射线望远镜已经对矮椭球星系以及星系团中的暗物质给予了某些限制。

探测项目

CDMS

低温暗物质搜寻项目(CDMS),旨在使用探测器探测粒子间的互动,找到暗物质粒子引起的运动。美国科学家在位于加利福尼亚大学校园的隧道里的实验室2009年检测到了两种可能来自于暗物质粒子的信号。但他们同时表示,这些信号与暗物质粒子的相似度不高。他们在明尼苏达州的Souden煤矿地下约714米处安装更高级的实验室设备,以进行二期低温暗物质搜寻项目(CDMSⅡ)。暗物质现象会被进入地球的宇宙射线干扰,要减少宇宙射线μ介子粒子的背景信号影响,唯一的办法是到地底深处,这样才有把握确认暗物质的构成。

AMS

AMS也被称为反物质磁谱仪,配备了超导磁铁和超高精度探测器,主要目的是探测宇宙中的反物质和暗物质,第一台AMS-01在1998年进入轨道。科学家认为阿尔法磁谱仪探测到的数据已经打开了一个全新世界的大门,这台价值20亿美元的仪器将揭开宇宙中的暗物质之谜,初步估计几个月内将公布重大的发现。宇宙的暗物质被认为只产生引力效应,不参与电磁力作用,我们可见的宇宙物质仅为4%,暗物质则占了23%,其余的为暗能量。暗物质的充斥着整个宇宙空间,将星系包围,科学家已经察觉到暗物质的存在,但是从来没直接观测到它的存在。

丁肇中团队使用的阿尔法磁谱仪(AMS),是安置于太空中的精密粒子探测装置,是至2013年以来灵敏度最高,也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备,代表了当今科学实验的最高技术手段,由16个国家和地区的600余名科学家历时近18年完成,耗资21亿美元,实验过程可能持续15至20年。[13]

CCDM

由于综合了CCDM,标准模型在数学上是特殊的,尽管其中的一些参数至今还没有被精确的测定,但是我们依然可以在不同的尺度上检验这一理论。能观测到的最大尺度是CMB(上千个Mpc)。CMB的观测显示了原初的能量和物质分布,同时观测也显示这一分布几近均匀而没有结构。下一个尺度是星系的分布,从几个Mpc到近1000个Mpc。在这些尺度上,理论和观测符合的很好,这也使得天文学家有信心将这一模型拓展到所有的尺度上。

7 探测成就


2012年4月,密歇根大学的Katherine Freese与瑞典斯德哥尔摩大学的Christopher Savage 计算出了暗物质和人体组织发生相互作用的几率。Freese和Savage计算了在平均尺寸的人体中,有多少原子核与穿过的暗物质粒子发生了碰撞。这里的平均尺寸,他们是指一块主要由氢、氧、碳、氮等元素构成的70公斤的肉块。他们说暗物质与人体中氢原子核和氧原子核发生碰撞的可能性很大。关于暗物质的一般假设认为,碰撞一般每天发生大约30次,得到的计算结果是,地球上每个人每年要承受100000次的暗物质粒子碰撞。

2012年5月初,根据几项暗物质探测项目获得的数据进行计算的结果显示,平均大约1分钟就会有一颗暗物质粒子击中人体。由于它们和常规物质发生相互作用的几率非常低,这当然也就意味着WIMP的撞击将不会给人体带来什么大的风险。然而当两颗WIMP粒子相互撞击时会发生湮灭反应,在这一过程中所释放出的能量就会大的多。美国密歇根大学下属密歇根理论物理研究中心教授凯瑟琳·弗莱瑟(Katherine Frees)认为:这两颗粒子的质量都相当于质子质量的100倍,当两者相撞时,它们将拥有200倍质子质量的能量释放。这将是非常剧烈的。如果这种WIMP粒子湮灭反应发生在人体内,它将可能导致对人体有害的突变。当然,发生这种事件的概率非常低。

它就是暗物质,一个让物理学界追寻半个多世纪的谜。但这个谜可能很快揭晓。当地时间3日,诺贝尔奖获得者、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪项目团队宣布,已借助阿尔法磁谱仪发现40万个正电子,这些正电子很可能就来自人类一直寻找的暗物质。

安装于空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS),科学家已经发现与暗物质有关的线索,低温暗物质搜寻、大型地下氙气实验等都在努力寻找暗物质的踪影。

阿姆斯特丹大学天体物理学家Christoph Weniger认为已经有迹象表明我们已经探测到暗物质粒子,费米望远镜正在对银河系中央天区进行扫描。费米空间望远镜升空以来,已经被用于多个领域的观测,其中包括对脉冲星和超大质量黑洞的发现任务,探索此类天体与伽玛射线之间的关系。哈佛大学天体物理学家道格·芬克拜纳认为费米空间望远镜为暗物质探索提供了一个新的途径,我们已经开始了一个新的观测战略,答案将在2015年揭晓。

科学家们希望确定银河系中央附近是否存在其他类型的伽玛射线,这些“光束”可能处于130GeV左右的能量区间上,对此,科学家也假设了是否是仪器问题导致的观测异常,加州大学天体物理学西蒙娜·穆尔贾称除了130GeV的光子外,我们还在2-3GeV能量区间内发现了低能伽玛射线。

8 粒子与介子行为类似

暗物质占宇宙中物质总量的绝大多数,而且无法被直接观测到,到目前为止,暗物质被认为不与任何物质发生相互作用,除了引力作用之外。虽然暗物质构成了宇宙物质的大多数,但我们对此知之甚少,最新的研究认为天文学家一直寻找的暗物质方式可能是错误的,该理论认为暗物质的行为就像是1930年代发现的亚原子粒子,我们称之为介子。

自从时间在宇宙中有了意义之后,暗物质被认为是无处不在的。科学家在发现暗物质时确认,在宇宙中的一些星系,可产生更强大的引力控制,但计算出的物质却又偏少,这导致了暗物质的发现。由于暗物质不发光,仅通过引力与其他物质发生作用,这是我们对暗物质的理解。

在过去,科学家还认为暗物质代表的是一种奇异粒子,能够在不同维度上进出,东京大学领导的物理学家小组发现暗物质可能没那么奇特,他们认为暗物质粒子就像是介子类粒子行为。过去的理论认为暗物质聚集在星系中央,最新理论认为暗物质可均匀分布在星系内。

加州大学物理学教授认为,我们已经见过这样的粒子,新的理论预测暗物质能够进行自身的交互作用,并分布在星系或者整个星系群中。对此,科学家认为我们可能基于这点明白暗物质为什么存在,并影响后续对暗物质的搜索。

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