2022 8月 09 By 还能注册binance币安吗 0 comment

观测星系时,科学家发现了「看不见的物质」

我们现在所看到的人类、太阳、星系以及星系群等等,所有东西都是由物质构成。「物质构成了宇宙的全部」这个概念长年以来深植於人类心中。

不过,後来我们了解到,宇宙中存在着许多我们人类看不到的物质,那就是「暗物质(dark matter)」。这个名称听起来很像科幻作品中的虚构物质,却实际存在於宇宙中,而且暗物质在宇宙中的含量,远多於我们看得到的「物质」。

1934 年,瑞士的天文学家兹威基(Fritz Zwicky,1898~1974)观测「后发座星系团」时,发现周围星系的旋转速度所对应的中心质量,与透过光学观测结果推算的中心质量不符。

周围星系的转速明显过快,推测存在 400 倍以上的重力缺损(missing mass)。

在这之後,美国天文学家鲁宾(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代观测仙女座星系时,发现周围与中心部分的旋转速度几乎没什麽差别,并推论仙女座的真正质量,是以光学观测结果推算出之质量的 10 倍左右。

到了 1986 年,科学家们观测到了宇宙中的大规模结构,发现星系的分布就像是泡泡般的结构。若要形成这种结构,仅靠观测到的质量是不够的。

为了补充质量的不足,科学家们假设宇宙中存在「看不见的物质=暗物质」。

看不到却存在?暗物质究竟是什麽?

前面提到我们看不见暗物质,而且不只用可见光看不到,就连用无线电波、X 射线也不行,任何电磁波都无法检测出这种物质(它们不带电荷,交互作用极其微弱)。

因为用肉眼、X 射线,或者其他方法都看不到它们,所以称其为「暗」物质。

不过,从星系的运动看来,可以确定「那里确实存在眼见所及之上的重力(质量)」。这就是由暗物质造成的重力。

  • 延伸阅读:暗物质比先前认为的还要「暗」

看不到的能量:暗能量

事实上,科学家们也逐渐了解到,宇宙中除了暗物质之外,还存在「看不见的能量」。

原本科学家们认为,宇宙膨胀速度应该会愈来愈慢才对,不过,1998 年观测 Ⅰa 型超新星(可精确估计距离)时,发现宇宙的膨胀正在加速中。这个结果证明宇宙充满了我们看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量应该比暗物质还要更多。

我们过去所知道的「物质」,以及暗物质、暗能量在宇宙中的估计比例,如下图所示。 这项估计是基於 WMAP 卫星(美国)於 2003 年起观测的宇宙微波背景辐射(CMB),计算出来的结果。

後来,普朗克卫星(欧洲太空总署)於 2013 年起开始观测宇宙,并发表了更为精准的数值。

  • 什麽是「普朗克卫星」?

欧洲太空总署(ESA)为了观测距离我们 138 亿光年的宇宙微波背景辐射(CMB)而发射至宇宙的观测装置(人造卫星)。可与 NASA 发射,广视角、低感度的 WMAP 卫星互相对照。由 WMAP 卫星制成的 CMB 地图,计算出宇宙年龄应为 137 亿年左右,误差在正负 2 亿年内;普朗克卫星则制作出了更为详细的 CMB 地图,并以此推论出宇宙年龄应为 138 亿年左右,误差在正负 6000 万年内,数字更为精准。

欧洲太空总署(ESA)为了观测距离我们 138 亿光年的宇宙微波背景辐射(CMB)而发射至宇宙的观测装置(人造卫星)。可与 NASA 发射,广视角、低感度的 WMAP 卫星互相对照。由 WMAP 卫星制成的 CMB 地图,计算出宇宙年龄应为 137 亿年左右,误差在正负 2 亿年内;普朗克卫星则制作出了更为详细的 CMB 地图,并以此推论出宇宙年龄应为 138 亿年左右,误差在正负 6000 万年内,数字更为精准。 

暗物质的真面目,究竟是什麽?微中子吗?

既然暗物质有质量,那会不会是由某种基本粒子构成的呢?也有人认为暗物质是在宇宙初期诞生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於这些研究,不过相关说明不在此赘述。

已知的基本粒子(共 17 种)以及其他未知粒子,都有可能是暗物质,在这些粒子当中最被看好的是微中子。

因为暗物质不带电荷,不与其他物质产生交互作用,会轻易穿过其他物质。这些暗物质的特徵与微中子几乎相同。而且,宇宙中也确实充满了微中子。因此,微中子很可能是暗物质的真面目。

不过,目前的物理学得出的结论却是「微中子不可能是暗物质的主要成分」。

为什麽微中子被撇除了呢?

这是因为,虽然微中子大量存在於宇宙中,质量却太轻了。虽然科学家们现在还不确定微中子的精准质量是多少,不过依照目前的宇宙论,3 个世代的微中子总质量上限应为 0.3eV。如果暗物质是微中子,那麽 3 个世代的微中子总质量应高达 9eV 才对,两者相差过大。

另一方面,暗物质中的冷暗物质(cold dark matter)的速度应该会非常慢才对。

宇宙暴胀时期会产生密度的扰动,进而产生暗物质的扰动(空间的扰动应与观测到的 CMB 扰动相同),这种微妙的重力偏差,会让周围的暗物质聚集,提升重力,进一步吸引更多原子聚集,最後形成我们现在看到的星系。

相较於此,微中子过轻(属於热暗物质,hot dark matter),会以高速飞行。微中子无法固定在一处,这样就无法聚集起周围的原子,自然也无法形成星系。

热暗物质、冷暗物质

这里要介绍的是热暗物质与冷暗物质。所谓的「热暗物质」,指的是由像微中子那样「以接近光速的速度飞行」的粒子组成暗物质的形式。

宇宙微波背景辐射(CMB)可显示出宇宙初期的温度起伏,因而得知存在相当微小,却十分明显的扰动,此扰动与暗物质的扰动相同。扰动中,物质会往较浓的部分聚集,并形成星系或星系团等大规模结构。

不过,如同我们前面提到的,科学家们认为以接近光速的速度运动的微中子,在程度那麽微弱的宇宙初期扰动下,很难形成现今的星系团。

於是,科学家们假设宇宙中还存在着速度非常慢的未知粒子「冷暗物质」。

冷暗物质的候选者包括「超对称粒子(SUSY 粒子)」当中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名为轴子(axion)的假设粒子;另外,也有人认为原始黑洞可能是「冷暗物质的候选者」,虽然黑洞并不是基本粒子。

在讨论暗物质时,即使不假设这些未知粒子的存在,在标准模型的范围内,微中子也是呼声很高的候选者。

如同在讨论热暗物质时提到的,当我们认为微中子应该不是主要暗物质时,就表示基本粒子物理学需要一个超越标准理论的新理论,这点十分重要。

那麽,微中子真的完全不可能是暗物质吗?

倒也并非如此。如果存在右旋的微中子,由於我们还不晓得它的质量以及存在量,所以「微中子是暗物质」的可能性还没完全消失。不过,这样就必须引入超越标准理论的理论才行。

在目前只有发现左旋、符合标准理论的微中子的情况下,一切都还未知。关於这点,我们将在《大人的宇宙学教室:透过微中子与重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 节详细说明。

——本文摘自《大人的宇宙学教室:透过微中子与重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台湾东贩,未经同意请勿转载。

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