持续近百年花费数百亿美元的大搜索到底在找什么?国际

2018-08-12    来源:网络    编辑:新闻在线
原标题:头条|一场持续了近百年,花费数百亿美元的大搜索到底在找什么?对于天文学家来说,暗物质与恒星、行星一样,都是真实存在的物质。天文学家可以绘制暗物

  原标题:头条 | 一场持续了近百年,花费数百亿美元的大搜索到底在找什么?

  对于天文学家来说,暗物质与恒星、行星一样,都是真实存在的物质。天文学家可以绘制暗物质分布图,把一个个星系视为由“发光”的普通物质点缀着的暗物质云团。借用暗物质,科学家还成功地解释了宇宙结构是如何形成和演化的。

  然而,经过多年的搜索,人们至今仍然没能直接探测到暗物质。人们被笼罩在暗物质的云团中,却不知宇宙的暗面究竟为何物。

  前不久,诺贝尔物理学奖获得者、美籍华人物理学家丁肇中在山东大学演讲时,再次为暗物质线索的发现给出了一个时间节点——2024年。他认为,届时关于暗物质的来源,“应该能有个决定性的结果出来”。

  2024年也是国际空间站可能的退役时间,正在国际空间站上寻找暗物质和反物质的,是阿尔法磁谱仪。它也是首个安置在太空中的最强大、最灵敏的精密粒子探测装置。

 ▲诺贝尔物理学奖获得者丁肇中介绍阿尔法磁谱仪项目最新进展情况。(中新网)

▲诺贝尔物理学奖获得者丁肇中介绍阿尔法磁谱仪项目最新进展情况。(中新网)

  阿尔法磁谱仪项目由丁肇中主持,背后是个国际合作团队。实际上,加拿大、意大利、中国、日本、德国、美国等寻找暗物质的团队有很多,有的在天上,有的在地下,众里寻暗物质千百度,还不知它是否在灯火阑珊处。

  那么,多国的科学精英都在竭尽全力寻找的这个暗物质到底是什么?能最终找到吗?

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  宇宙中看不见、摸不着的最神秘力量

  我们所知道的物质——原子、恒星、星系、行星、树木、石头、我们自己等等,其实只占了已知宇宙的5%还要少,其余约25%是暗物质,剩余的70%是暗能量,后两者都是看不见的,而且不能发射或吸收电磁辐射,故而称其“暗”。这意味着我们所感受到的一切,都只是真实存在的一小部分。

  从人类开始研究暗物质至今已有近百年时间,人类为何如此执着于探索这些看不见的东西呢?

  因为暗物质涉及宇宙产生和演化的一些最基本问题,它被科学家比作“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云”,是目前国际科研的最前沿领域之一。

  与百年之前相对论和量子力学即将诞生时类似,现在人类对物质世界的认识又一次处在了十字路口。毫不夸张地说,找到并研究暗物质,将是继哥白尼日心说、牛顿万有引力定律、爱因斯坦相对论以及量子力学之后,人们认识宇宙的又一次重大飞跃。

  有人可能认为,既然暗物质隐藏得这么深,我们又怎么确定它存在呢?

  尽管暗物质不发射或吸收电磁辐射因而无法被天文设备直接观测到,但是它的引力效应却影响了其周围可见物质的运动轨迹,因而能够被间接探测到。

持续近百年花费数百亿美元的大搜索到底在找什么?

  以暗物质对太阳运行轨迹的影响为例,可以清楚了解暗物质是如何被探测到的。

  如上图所示,太阳到银河系中心的距离是2.8万光年,绕银河系中心旋转一周的时间是2.3亿年。物质的引力所产生的向心力可以把太阳固定在这样的轨道上,通过简单的计算就可以知道,这需要在太阳轨道内包含大约1011 MSun(太阳质量)的物质。

  然而,可以观测到的恒星和气体的质量低了两个数量级。显然,还有更多的不可见的物质贡献了更强的引力,如果不存在暗物质,那么向心吸引力就要弱很多,太阳的旋转速度也要相应小很多。

▲M33星系的旋转曲线

▲M33星系的旋转曲线

  太阳是银河系中的一颗普通恒星,观测更多的恒星的运行轨道就可以进一步推断星系中暗物质的分布信息。

  比如,上图所示是一个称作M33的涡旋星系中,恒星绕星系中心旋转的速度与其到星系中心距离的函数关系示意图。上边的曲线是天文学家观测的结果,而下边的虚线是根据观测的可见物质预计的恒星运行的速度分布。

  我们看到,两者有着明显的差别,实际测量的运行速度要远大于计算结果,这表明星系中还分布着大量的暗物质来增大引力,这些观测结果就是天文学家推测暗物质存在的直接观测证据。

  而根据不同距离处恒星旋转速度的大小可以推算暗物质在星系中如何分布,我们可以得到如下图所示的银河系中的物质分布图。从图可见,我们银河系的恒星大部分分布在一个很小的盘状结构中,这就是我们熟悉的银盘。在银盘外边包围着巨大的暗物质构成的球状结构,称作暗物质“晕”。

 ▲银河系的物质分布:普通恒星分布在盘状结构上(disk),而暗物质则形成一个巨大的几乎球对称的晕状结构,叫做暗物质晕(Dark matter halo)。

▲银河系的物质分布:普通恒星分布在盘状结构上(disk),而暗物质则形成一个巨大的几乎球对称的晕状结构,叫做暗物质晕(Dark matter halo)。

  除此之外,其他还有许许多多天文观测,均证实了宇宙中暗物质的存在。

  比如星系团中热气体的分布、星系团所造成的引力透镜效应、宇宙中微波背景的观测等等均在更大的尺度上证实了暗物质的存在。

  今天,天文学家建立了一个“标准宇宙学模型”,这个模型中宇宙由68%的暗能量、27%的暗物质和5%的普通物质组成,可以成功解释几乎到目前为止所有的宇宙学观测现象,是当前人类对宇宙的最新认识成果。

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  暗物质究竟是一种什么样的物质?

  在研究暗物质的历史中,天文学家也提出了许多的设想,比如认为暗物质是不发光的小天体如黑洞,或者是中微子等等,但均已被后来的观测所排除。

  目前一般认为暗物质应该是由一种全新的粒子构成,它不同于我们已经了解的任何一种组成我们周围物质的粒子。我们只知道这种粒子应该是稳定的、不带电的且运动速度很慢的粒子,而其具体是什么粒子,以及其质量、其相互作用的性质如何等都无法确定。

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