暗物质是什么 暗物质的作用与发现意义

2016-09-07 11:08    来源:www.ufo-2.cn    编辑:覃主编    已有()人围观
导读: 暗物质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...

暗物质是什么

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

中文名:暗物质

外文名Dark matter

别 称不可见物质

发现者弗里兹·扎维奇

质 量宇宙的96%

类 属天文学

探测最佳时间 地球满月的时候,云层内

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暗物质

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。

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暗物质

暗物质(darkmatter)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。

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暗物质

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。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。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”。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。

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暗物质

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。

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