[暗物质是什么]原来暗物质是确实存在的

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暗物质
我们看不到暗物质和暗能量,但它们的存在是不争的事实。看不见的物质占宇宙的95%。我们之所以会知道它们的存在,是因为它们的引力作用:遥远恒星和星系的运动,似乎受控于更强的引力场,比天文学家通常观测到的恒星和星系所具有的引力大得多。暗物质和暗能量是决定宇宙最终命运的能量场。





20世纪30年代,瑞士天文学家弗里茨·兹威基( Fritz Zwicky)最早提出,组成宇宙的物质要比我们实际能够看到的更多。在加州理工学院做研究期间,兹威基的研究对象是位于后发座的后发星系团、该星系团由1000多个星系组成,距离地球约3.2亿光年。让兹威基很疑惑的是,他测出的星系运动速度非常之快,但星系并没有四下散开,这说明肯定存在足够大的引力将它们束缚在一起。他估算了星系质量,并使用牛顿万有引力定律计算了星系团的总引力,结果却让他大吃一惊。星系的运动速度比星系团引力所能允许的速度快了数百倍。唯一可能的解释就是,星系团包含了看不见的物质,这些物质的质量是可见物质质量的数百倍,兹威基将这种物质称为暗物质。



当时没人相信兹威基。到了20世纪70年代,美国天文学家维拉·鲁宾( Vera rubin)正研究涡旋星系的自转曲线,即星系自传速度与到星系中心的距离之间的变化关系。在离星系中心较近的部分、她的观测结果与理论预测一致。但是在星系的外围区域星系晕,理论却与观测不符。理论预测,星系晕的自转速度应该逐渐减小,在距离非常大的时候会减小到0。但鲁宾发现星系的自转速度基本保持不变,就好像整个星系晕作为一个刚体在旋转一样。唯一可能的原因就是星系晕中有隐藏的暗物质。





鲁宾的观测结果表明涡旋星系中可见部分至多占星系总质量的5%关于暗物质的更多证据来自对引力透镜的研究。遥远星系发出的光在星系团的引力作用下发生弯折,因而我们在地球上看到的是遥远星系被扭曲和放大的图像,这就是引力透镜现象。天文学家将数学方法应用到星系图像上,从中推出透镜星系团的质量,结果与兹威基对后发星系团的测量一致,这表明星系团的实际质量是观测显示的100多倍。
关键组分
暗物质是星系和星系团早期形成理论的关键部分。如果没有暗物质的额外引力开启这个过程,星系和星系团就不可能出现,人类也不可能存在。很快,天文学家认识到暗物质不过是宇宙的冰山一角。20世纪80年代末,加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特(SaulPerlmutter)和同事开始了对远距离超新星长达11年的研究。超新星是恒星死亡时经历的剧烈爆炸。他们的研究目标是理解整个宇宙的行为。20世纪20年代,埃德温哈勃发现宇宙一直在膨胀,珀尔马特团队希望自己的研究能够探明宇宙膨胀的速率,更为关键的是,搞清楚引力致使脂胀减慢的速率。





反引力
这个研究团队困惑的是他们在整理数据的时候发现,宇宙膨胀的速度根本没有减缓,而是在加速。宁宙引力所起到的作用与他们预期的相反。如果他的数学计算可信,那么这起到排斥作用的反引力背定是来自弥漫整个宇宙的大量新奇能量。这就是人们所说的暗能量,它的质量比宇宙其他物质(包括暗物质)的质量总和还要大。1998年1月8日,珀尔马特团队在美国天文学会的会议上,公开发表了他们的发现。这一发现被著名的《科学》杂志评为当年的“年度突破”,现在也被视为20世纪最伟大的一项科学进步。



21世纪的头十年,精确测量宇宙微波背景(大爆炸的微波回声)参数的专门太空任务启动,最终确认了暗物质的存在。这些航天器确认了暗物质和暗能量的存在,表明宇宙是由23%的暗物质、72%的暗能量和仅5%的原子组成。原子就是组成所有恒星、行星和星系以及你、我的普通物质。可是,暗物质和暗能量是由什么组成的呢?令人尴尬的是,还没有人知道答案。不过目前的共识是暗物质很有可能是一种新奇的亚原子粒子,比方说,粒子物理学标准模型的扩展(如超对称性)所预测的类型。不过真实情况有待进一步确认。暗能量则被认为是封锁在宇宙真空结构中的能量。通常,我们认为真空结构中的能量是零,这种看法其实没有任何理由。实际上,天文学家对大爆炸发生后极短时间内粒子形成过程的研究显示,真空能量可能非常巨大。





末日浩劫
暗能量将决定宇宙的最终命运。宇宙可能一直膨胀下去,也可能坍缩,即宇宙大收缩,具体是哪种未来则取决于宇亩的特性。2003年,宇宙学家罗伯特·卡德威尔( Robert Caldwell)提出了另一种更戏剧性的模型。如果暗物质以极端的幻能量( phantom energy)形式存在,那么就会致使宇宙以非常快的速度膨胀,快到宁宙中的所有物质—大到星系,小到原子都会被撕碎。卡德威尔称之为“大撕裂”。不过即使这个理论是正确的,那也是数百亿年以后的事了。



破解暗能量之谜是21世纪科学的一项紧急任务。2020年,美国国家航空与航天局(NASA)发射广域红外线巡天探测望远镜( WFIRST)用该太空探测器及其他手段研究暗能量的具休物理性质。研究人员希望这次探测最终能弄清楚太空中这块黑暗角落,彻底了解宇宙的绝大部分组成到底是什么。

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