宇宙是由什么物质组成的?未知的部分统称暗物质

[ 录入者:linq | 时间:2015-08-28 22:29:52 | 作者:晨风 | 来源:新浪科技 | 浏览:11777次 ]

即便是宇宙中最明亮的星系内部也存在着暗物质

星系之间的相互碰撞为科学家们提供了有关暗物质存在的强烈证据

星系之间的相互碰撞为科学家们提供了有关暗物质存在的强烈证据

新浪科技讯  北京时间8月28日消息,据英国广播公司(BBC)网站报道,设想有一个高级外星文明从另外一个平行宇宙来到我们的宇宙,那么有很大的可能是:他们根本就不会留意到我们的存在。

其中的缘由是不言自明的:宇宙太大了,而我们生活的小小星球在宇宙面前连一个小小的尘埃都算不上。但实际上,情况可能比这还要更加糟糕:这些外星人甚至可能 连宇宙中所有的恒星以及围绕它们运行的行星都不会留意到,而那些弥漫在星系空间的巨大气体尘埃云也恐怕不会引起他们的任何注意。 

怪人兹威基的“狂想”

弗里茨·兹威基,最早注意并提出暗物质存在想法的物理学家
弗里茨·兹威基,最早注意并提出暗物质存在想法的物理学家

为什么竟然会有这样的情况?因为所有这些我们所熟悉的事物实际上只占据了宇宙极小的一部分。宇宙中剩下的部分是由其他“东西”构成的,今天科学家们还没有搞清楚这种物质的本质究竟是什么。

因为找不到更好的名字,物理学们于是就将这种神秘物质称作“暗物质”(dark matter)。如果没有这种神秘物质的存在,宇宙中的星系将分崩离析。尽管没人知道暗物质的本质究竟是什么,但物理学家们正在对其加紧研究。

你所见的一切都是由原子构成的——从你自己的身体,到你此刻所处的这颗行星,再到天空中的太阳和所有的星星。而如果更进一步,所有的原子都是由更加细微的粒子,如质子和中子所构成的,而我们现在已经知道即便是质子和中子仍然可以被分出更加细小的结构。

20世纪初,当物理学家们最初开始了解到原子的结构组成时,他们曾经以为我们即将洞察整个宇宙中一切物质的本质。

但到了1933年,一位名叫弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)的瑞士天文学家提出了一项在当时看来惊世骇俗主张,他宣称宇宙的绝大部分应当是由某种完全不同的物质组成的。

但兹威基并非胡言乱语,他的观点是有依据的:他计算了在星系群中所有能够被观察到的物质的总量,最后发现这些物质的总质量所能产生的引力强度不足以让整个星系群聚集在一起。

另外,正如英国杜伦大学的理查德·梅塞(Richard Massey)所言,兹威基还发现他所观察的那些星系都“转的太快了”,如果仅仅用它们内部所含的这些物质来计算,那么巨大的离心力应该早就让它们分崩离析了——宇宙中的每一个星系都像一个旋转木马,它们转动的太快,上面坐着的游客们应该都会飞出去才对!

正是基于这些观察,兹威基敏锐地指出,那里必定还存在着其他的物质。这些物质不能被直接观察到,但却同样能够产生引力作用,从而帮助将星系聚集在一起而不至于被撕碎。他指出,这种无法被观察到的神秘物质是“黑暗”的。

然而不幸的是,在当时兹威基普遍被同行们认为是怪人一个,没人愿意认真对待他的观点,他的伟大洞察和理论都被搁置一旁,无人问津。梅塞指出:“当时人们的说法常常是这样的:这是个疯狂的理论家,他有力没处使,所有才发明这么一种全新的物质出来了。”

本超星系团,我们的银河系也是其中的一部分
本超星系团,我们的银河系也是其中的一部分
 
一切的“正常物质”都是由原子组成的
一切的“正常物质”都是由原子组成的

女天文学家鲁宾的发现

于是兹威基的理论便渐渐被遗忘了——直到1970年代。此时一名美国女天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)无意间注意到,那些近距离星系的转动情况并不符合传统理论的预计。

在 我们的太阳系中,行星的运行遵循着一条非常简单的规则:距离太阳越远的行星,太阳对其施加的引力作用比较弱,于是它公转的速度也就比较慢,因此它们一般都 需要很长的时间才能完成一圈公转。因此符合逻辑的想法便是:这一基本理论当然也应该适用于恒星围绕星系中心公转的情况,也就是说那些距离星系中心比较远的 恒星,由于星系中心对其施加的引力影响较弱,因此它们的公转速度应该会比较慢一些。

然而令人意外的情况发生了——鲁宾发现不管恒星距离星系中心有多远,它们围绕星系中央公转的速度都是一样的!

这样一来,那些位于星系外侧较远的位置上,也因此受到星系中央引力作用比较弱的恒星就应该会飞走才对,但这种情况却并没有发生——一定有某种东西存在在那里,阻止了星系的崩溃——兹威基早在30多年前就已经注意到了这一点。

现在,天文学家们相信暗物质是构成我们宇宙的基本组成部分,并从宇宙诞生之初就起到了关键作用。在大约140亿 年前宇宙诞生之初,宇宙经历了一段急剧膨胀的阶段,也就是所谓的暴涨期,此后星系逐渐形成。然而,宇宙这样的急剧膨胀却并未将所有星系都甩到遥远的宇宙角 落里去。这正是因为暗物质起到了聚合剂的作用——尽管我们甚至都根本看不到它们的存在。因此,从某种意义上看,暗物质和风有点像——我们不能直接看到它, 但我们知道它确实存在,并且数量还不少:它占据了整个宇宙组成的25%。

或许有些读者会感到困惑,因为有时候我们会说暗物质构成了宇宙中所有物质的80%。这是因为整个宇宙中仅有大约30%的组成是物质,在这其中绝大部分是暗物质。而宇宙中剩下的那70%则不是物质,而是能量。

星系NGC 2300,科学家们认为它周围被暗物质围绕
星系NGC 2300,科学家们认为它周围被暗物质围绕
 
宇宙星系大尺度网络结构(红色)以及空旷的巨洞(蓝色)
宇宙星系大尺度网络结构(红色)以及空旷的巨洞(蓝色)

宇宙星系的大尺度结构

1980年代,人类找到了暗物质存在的一个确凿证据。1981年,美国哈佛大学的一个由马克·戴维斯(Marc Davis)博士领衔的团队进行了首次星系巡天。很快他们便意识到宇宙中的的星系并非均匀分布。用英国杜伦大学卡洛斯·弗兰克(Carlos Frenk)博士的话来说,星系的分布绝非“像蛋糕周围的糖衣”那样均匀。

与之相反的,很多星系会聚集在一起形成巨大的集团,每一个中都包含了成百上千个星系。而所有这些或细密或稀疏的分布形式便构成了一张错综复杂的“宇宙之网”(cosmic web)。而科学家们认为暗物质正是维持这张巨大网络存在的基础。

对比,英国剑桥大学的卡洛琳·克劳福德(Carolin Crawford)作了非常通俗的比喻,她指出,换句话说,暗物质实际上就构成了这个网络的骨架和核心,而我们所能看到的“普通物质”就“悬挂”在这种骨架上。她说:“我们知道暗物质必须存在于早期宇宙中。它对于物质的聚集是至关重要的,在那之后便逐渐演化出现了我们今日所见的这种结构。”

弗兰克回忆,当时这项有关星系集群与大尺度结构的发现引发了轰动,他当时的导师于是便督促他进一步深挖,搞明白星系为何会出现这样的结构。而当弗兰克开始这项工作时,他发现有人走在了他的前面。在1980年,一个由鲁比莫夫(VA Lyubimov)领导的苏联研究组提出了对于暗物质本质的可能解释。他们认为暗物质可能是由中微子组成的。

这样的想法有一定道理。中微子是“暗的”,它们就像是“幽灵粒子”,几乎不与其他物质发生相互作用。科学家们认为全宇宙中所有的中微子加在一起,它们具有的质量或许可以解释暗物质的引力影响。

但这一理论存在着一个问题,那就是:中微子是“热的暗物质”,这就意味着它们“身材非常轻盈”,因此可以移动地非常快。而当弗兰克模拟一个充斥着这种“热的暗物质”的宇宙时,他发现根本行不通。

弗兰克表示:“让我们倍感失望的是,我们发现一个基于这种热的暗物质的宇宙看起来与真实的宇宙相差太远。”他说:“那个宇宙看上去很美,但却并不是我们生活其中的这个宇宙。在那个宇宙中存在着极其巨大的星系集团,而我们知道这样的情况在真实宇宙中是不存在的。”

宇宙暗物质分布地图
宇宙暗物质分布地图
 
哈勃极超深场图像:宇宙中的星系与星系群
哈勃极超深场图像:宇宙中的星系与星系群

大质量弱相互作用粒子

科学家们意识到,暗物质必须是“冷的”,并且移动速度很慢。那么接下来的一步就是要确定去哪里找到这种“冷的”暗物质。

尽管我们并不能直接看到暗物质,但它们的确会通过一种方式彰显自己的存在:它们施加的引力影响会导致光线传播路径的弯曲。这就和光线穿过泳池水或是结了霜的浴室玻璃时发生的情况差不多。

这种现象被称作“引力透镜”,科学家们可以利用这种现象判断暗物质所在的位置。事实上,利用这项技术,科学家们目前正在积极构建宇宙中暗物质的分布地图。

尽管一开始他们只对很小的一部分区域进行了观测绘图,但他们雄心勃勃,他们想要对1/8的宇宙空间进行观测绘制,其中包含数以百万计的星系。而我们都知道,就以我们的银河系这一个星系为例,其中就包含了数千亿颗恒星,行星的数量则更加难以估计。

到目前为止,这样一幅宇宙暗物质地图还太过粗糙,无法显示过多的细节。对此,美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的格雷·佩雷扎鲁(Gary Prezeau)打了个比方:这就像是你对于地球上大陆的情况有了一个基本的概念,而现在你所感兴趣的则是这些大陆上山脉和湖泊的形状。

另外,我们现在对于暗物质在什么地方这个问题至少有了一个非常粗略的认识。然而我们仍然不知道暗物质的本质究竟为何。物理学家们针对这一问题已经提出了几种 理论,其中最主流的一种观点认为暗物质是由一种全新的粒子所构成,这种粒子存在于理论预测中,但从未被实际观测到。物理学家们将其称作“大质量弱相互作用 粒子”(WIMPs)。

英国诺丁汉大学的安妮·格林(Anne Green)表示,这种WIMP粒子与我们所感知的世界的每一个方面都关系微弱。首先,它们几乎不与其他物质发生相互作用,更不用说是我们所见的“正常物质”了。当你撞上一堵墙,你的头部会与墙壁之间发生碰撞。但当一个WIMP粒子与墙壁相撞或与另外一个WIMP粒子相撞时,基本上它会直接穿过对方,完全不发生任何阻挡,这也是它的名字中“弱相互作用”的由来。

它的名字中还有第二项内容,那就是“大质量”。尽管我们无法知道这种粒子的外观大小,但WIMP粒子一定拥有很大的质量。格林指出,这种粒子的质量甚至可以达到质子质量的数百乃至上千倍。

那么这些假设是否正确呢?问题的关键就在这儿:我们不知道。

而梅塞进一步指出,这里所谓的“大质量弱相互作用粒子”只是一个吸引眼球的说法,但实际上其中可以包含很多种不同的粒子。更加糟糕的是,因为这些粒子太过于难以捉摸,很难开展对它们的探测工作。

此刻,你可能已经感到灰心丧气——“他们先是信誓旦旦的说一定存在着一种看不到的物质,然后现在他们又说这种物质一定是由某种新的粒子组成的,但这种粒子又是没办法探测到的!真是愚蠢!”的确,你并不是第一个这样想的人。

暗物质(红色),光(黄色)以及星系(蓝色),可以看到光线在引力作用下行进路径发生的扭曲
暗物质(红色),光(黄色)以及星系(蓝色),可以看到光线在引力作用下行进路径发生的扭曲
 
星系内部充满着暗物质
星系内部充满着暗物质

暗物质根本不存在?

早在1983年,就有一批物理学家提出,或许所谓的暗物质根本就不存在。相反,他们认为是我们据为经典的引力理论出错了,这就是为什么我们会认为星系行为怪异的原因——星系根本没有什么异常,是我们的测量和计算标准出问题了。这种观点被称为“MOND”,也就是“修正的牛顿力学”。

梅塞表示:“我们正在对这些情况进行分析,看看它们如何受到引力作用的影响。当然,假定我们的确理解引力的作用方式的话。或许我们队引力的理解本身就是错误的,那样的话我们对于宇宙的解读当然也就跟着出错了。”

梅塞指出,MOND理论存在一个严重问题就在于,该理论的支持者们不同意主流观点,但是他们自己又无法提出相应的替代方案。梅塞表示:“任何想要提出全新引力理论的人,他的新理论必须能够解释爱因斯坦的相对论能够解释的一切现象,在此基础之上还要能够解释暗物质。”

在2006年,美国宇航局发布了一张经典图像,在很多人看来这张图像的公布彻底宣判了MOND理论的死刑。这张图像拍摄的是两个巨大星系群之间的相撞场面。表面上看,大多数的物质都很明显地集中在靠近中心的位置上,因此我们应该可以预期那里是质量最集中的区域。

但在中心区域外侧同样观察到光线在引力作用下发生的弯折效应,显示该区域存在其他形式的物质。这张图像被欢呼为证明暗物质存在的一个直接证据。如果这是正确的,那么我们便回到了问题开始的地方。现在我们面临的挑战便是:找到暗物质,尽管我们根本不知道那究竟是什么。

探测暗物质“发光”现象

这听起来甚至比以前说的“在稻草堆里找绣花针”的说法更加令人沮丧,但事实上科学家们仍然有至少三种方法可以帮助他们最终找到答案。

第一种方法是在宇宙中搜寻暗物质产生的效应。利用宇宙暗物质分布地图给出的线索并开展监测,未来或许可以观察到极其偶发的暗物质粒子碰撞事件。

在一般情况下,暗物质粒子与正常物质遭遇时会直接穿过对方而不受任何影响。但它们巨大的数量意味着或许在非常偶然的情况下它们会与其他原子的原子核之间发生碰撞。

当这种情况发生时,暗物质粒子会向原子核施加一个微小的推力,使其像泳池中的小球那样发生轻微运动。这一过程应当会产生伽马射线,这是一种能级极高的光。一旦这种极罕见的事例发生——正如弗兰克所言,就像是“暗物质发光了”。

对此,格林博士表示:“目前已经存在一些专门的探测计划,致力于直接检测这类撞击事件。”

在2014年,利用美国宇航局功能强大的费米空间望远镜,研究人员宣称他们检测到了来自这种撞击事件的伽马射线闪光。他们发现我们银河系内的一个区域似乎存在伽马射线闪光,器来源或许正是暗物质。

相关数据基本与模型相吻合,但我们目前仍然需要确认这些伽马射线是否的确源自暗物质。因为同样的伽马射线也有可能由脉冲星或是在恒星衰亡爆发事件中产生。

暗物质粒子除了可能与正常物质之间发生的撞击之外,暗物质粒子之间或许也会发生相互碰撞的事件,并且同样有办法可以对这种效应进行观察和检验。

梅塞的小组近期正在对一些相撞的星系进行观察。他们预期存在于这些星系内部的所有暗物质都应当会毫无阻碍地相互穿过对方。但出乎意料的是他们注意到其中一些暗物质的运动速度似乎降低了,落在了它们所在星系运动轨迹的后方。

这一现象似乎表明这些暗物质与其他暗物质之间发生了相互作用。梅塞表示:“如果情况的确如此,那么这将是我们获得的首个证据,证明暗物质虽然与外界几乎不发生相互作用,但也并非完全绝缘。”

这是另一个旨在探测暗物质的探测器装置:DRIFT
这是另一个旨在探测暗物质的探测器装置:DRIFT
 
天炉星系团,如果没有暗物质的存在,它将分崩离析
天炉星系团,如果没有暗物质的存在,它将分崩离析

用对撞机制造暗物质!

不过,所有这些方法都存在一个缺点:你不能抓取一些真正的暗物质样品,然后放在显微镜下仔细观察——毕竟它们的距离太过遥远,也太过巨大了。

于是就有了第二种方法:自己制造一些暗物质出来研究!

尽管听上去非常疯狂,但物理学家们真的正在认真考虑利用位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)设备来制造暗物质粒子。

大型强子对撞机在日常运行过程中会将质子加速到接近光速并使它们相撞。这样的过程将产生强大的能量,甚至可以击碎质子,使其分裂成更加细微的组成成分,此时科学家们便可以对这些亚原子粒子的性质进行各项研究工作。

英国伦多国王学院的物理学家马尔科姆·法尔布莱恩(Malcolm Fairbairn)指出,在这样的“终极碰撞”过程中,LHC设备或许可以发现一些新的粒子,比如大质量弱相互作用粒子”(WIMPs)。他说:“如果WIMP粒子的确是组成暗物质的基本粒子,并且我们利用大型强子对撞机发现了这种粒子,那么我们将很有可能最终揭开宇宙中暗物质本质的谜团。”

然而,如果暗物质并非如理论中预言的WIMP粒子那样,那么或许大型强子对撞机就不能检测到它。

还有另外一种困难。那就是,如果LHC设备真的制造出了一些暗物质,实际上LHC内部的探测器也不一定能够检测到这一结果。实际看到的情况可能会是这样:探测器发现有一束粒子射入,但在另一侧却发现没有粒子出来。发生这种情况就只有一种可能性,那就是出来的粒子是一种探测器无法检测到的粒子形式,那么这就很有可能是暗物质粒子。

去地下深处寻找暗物质!

而如果这两种方法都失败了,物理学家们还有第三种手段:去地球深处寻找答案。

在一些古老的废气矿井和山区的地下深处,科学家们正在对WIMP粒子与正常物质粒子之间可能发生的碰撞事件开展严密监测——他们所搜寻的也正是此前美国费米望远镜在太空中所记录到那类伽马射线闪光事件。

理论上,每一秒钟都有数以十亿计的暗物质粒子穿过我们的身体。弗兰克博士表示:“暗物质粒子存在于你的办公室里,你的房间里,任何地方。每一秒钟都有数十亿个暗物质粒子穿过你的身体,但你毫无察觉。”

理论上来说,我们应当可以监测到这些撞击事件中产生的伽马射线闪光。但问题就在于,存在着其他的干扰因素,比如说宇宙射线,后者会干扰对暗物质粒子产生信号的识别。

正是由于考虑到上面提及的因素,科学家们将实验搬到了地下深处,目的就是想要借助厚厚的岩层来阻挡绝大部分的宇宙射线,但暗物质粒子则不会受到影响。

到目前为止,科学家们基本都同意,那就是我们还尚未通过这类地下探测实验检测到任何可能与暗物质粒子有关的闪光事件。2015年8月份有一篇最新发表的文章,其中提到在意大利格兰萨索国家实验室进行的XENON100地下探测实验同样没有取得任何有价值的结果。

此前还发生过几次误报事件。该实验室的另外一个小组在数年前曾经宣称他们的DAMA 实验可能已经检测到暗物质粒子。尽管看上去他们的确好像是发现了什么东西,但大部分物理学家都认为他们发现的应该并非是WIMP粒子。

最有希望发现这类粒子的设备可能还是在LHC,但仅仅在一处地点发现还不够。法尔布莱恩表示:“最终,我们将需要通过多种途径观测到暗物质,如此我们才能最终确认我们在实验室中所发现的粒子的确是与存在于星系间的暗物质是相同的对象。”

就目前而言,当我们仰望夜空,宇宙中的大部分对于我们而言仍然是完全的未知,我们也不清楚这样的情况究竟还要持续多久。一些宇宙学家——其中也包括弗兰克——认为人类有希望在未来10年内在这一方面取得一些进展。但另外一些物理学家,包括格林博士,则对此显得有些悲观。她认为,如果LHC最终未能取得什么发现,那或许意味着我们根本就找错了方向。

今天的我们,距离兹威基最初提出暗物质存在的设想已经过去了几乎80年,在如此漫长的时间里,我们仍然没能获得哪怕最少量的暗物质样品,甚至未能搞清楚它们究竟是什么东西。

这是一个强烈的证明,提示我们距离真正理解我们的宇宙还有多远的距离。我们或许可以理解所有的事情,从宇宙的开端一直到地球上生命的演化。但宇宙的大部分对于我们而言却仍然是一个完全的黑箱,它的秘密仍然有待未来的人们去揭晓。(晨风)

Tags:暗物质 宇宙

责任编辑:linq

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