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关于暗物质,还有 11 个悬而未决的大问题

2020/7/1 2:44:43 来源:煎蛋 浏览:

投稿:unknowm

原文:
https://www.livescience.com/64113-dark-matter-mysteries.html

早在 1930 年代,一位名叫 Fritz Zwicky 的瑞士天文学家就发现,在某个遥远星团中星系彼此绕转的速度,要比根据它们可见质量所推算出速度大得多。他提出,可能存在一种不可见的物质,对这些星系施加了引力作用。他将这种物质称为暗物质 (dark matter)。

自此之后,研究者们已经确认了,这种神秘物质不仅在宇宙间遍布,其丰度是构成恒星和人体等等普通物质的 6 倍。尽管可以看到暗物质遍布宇宙,但它依然有太多问题让科学家们百思不得其解。本篇就讲一讲,关于暗物质的 11 个最大的未解决问题。

什么是暗物质?

最重要或说最让人困惑的就是,研究者们依然不能确定,暗物质到底是个啥子。按照美国能源部费米实验室的物理学家 Don Lincoln 之前为 Live Science 撰写的文章所说,原本,一些科学家猜测宇宙中丢失的物质是一些暗星和黑洞,然而详细的观测表明,这些天体的影响远远达不到暗物质的效果。按 Lincoln 的说法,目前在暗物质理论中处于领先的说法,是一种名叫大质量弱相互作用粒子 (Weakly Interacting Massive Particle, WIMP) 的假设性粒子,其表现和中子有些相似,但质量却是质子的 10 到 100 倍。然而,这一猜想只是带来了更多的问题——比如……

我们能探测到暗物质吗?

如果暗物质由 WIMP 组成,那么我们身边就应该全是它们,不可见,且几乎难以探测。我们为什么还没发现呢?尽管它们和普通物质没什么相互作用,但终归会有那么一丢丢可能,暗物质粒子会在穿行宇宙时,撞击到诸如质子或电子之类的普通粒子。因此,研究者们在地下深处进行了一次又一次的试验,研究了大量的普通粒子,而之所以在地下深处进行,是因为可以排除掉和暗物质粒子撞击事件相似的干涉辐射。问题出在哪呢?数十年的搜索,却没有一台探测器有可靠发现。今天(2018 年——译注)早些时候,中国的 PandaX 试验给出了最新的 WIMP 未探测到报告。加州大学河滨分校 (UCR) 的物理学家郁海波对 Live Science 说,很可能是暗物质粒子要比 WIMP 小得多,或者缺乏便于研究的属性。

暗物质由多于一种粒子组成?

普通物质由常见的质子电子之类组成,还包括了一大批诸如中微子、渺子和派介子等奇特粒子 (exotic particle)。一些研究者因此提出疑问,构成宇宙总物质 85% 的暗物质,是否也会同样复杂。“没理由去假设,宇宙中所有暗物质都由一种粒子组成,”哈佛大学的物理学家 Andrey Katz 曾经对 Live Science 的姊妹网站 Space.com 如是说。Katz 还说,暗质子可能会和暗电子组合形成暗原子,产生的构型可能和可见世界中的一样有趣而多样化。尽管物理实验室不断提出这类设想,但迄今为止,科学家依然还未找到一种可以证明或证伪的方法。[Strange Quarks and Muons, Oh My!Nature's Tiniest Particles Dissected]

暗力存在吗?

和暗物质的额外粒子一样,暗物质也可能会受到类似于常规物质的力。一些研究者已经在搜寻“暗光子”了,它们可能会和普通物质粒子间交换的光子一样产生电磁力,不过只能对暗物质粒子产生作用。据 Live Science 早先的报道,意大利的物理学家们正准备将一束电子和它们的反粒子——正电子——在钻石中对撞。如果暗光子确实存在,那么这个电子-正电子对就会湮灭,并产生一种奇异带力粒子,可能开启宇宙的全新领域。

暗物质可能由轴子组成吗?

随着 WIMP 在物理学家间的失宠,其他暗物质粒子正开始受到青睐。最可能取而代之的,是一种名为轴子 (axion) 的假设性粒子,其质量极其轻,甚至仅为质子的 1031 分之一。目前有若干试验正在搜索轴子。据 Live Science 之前的报道,最近的计算机模拟表明了一种可能:这些轴子可能会组成类恒星物体,所产生的可探测辐射则与至今成谜的“快速射电暴”现象十分相似。

暗物质有什么样的属性?

天文学家们是通过暗物质与普通物质的引力相互作用才发现它的,这是暗物质在宇宙中的主要存在方式。但如果尝试去理解暗物质的真正本质,研究者们却对此毫无头绪。根据一些理论,暗物质粒子就是其自身的反粒子,也就是说,两个暗物质粒子相遇时会彼此湮灭。在国际空间站上的阿尔法磁谱仪 (AMS) 试验从 2011 年开始就在搜寻这种湮灭的指示迹象,并探测到了数十万起事件。科学家们还难以确定这些事件是否来自暗物质,而这些信号也不能帮他们确定到底什么是暗物质。

每个星系中都有暗物质存在吗?

因为暗物质远比普通物质要重得多,因此通常被认为是组织星系和星团等超大结构的控制力量。所以,有件事就变得奇怪了:今年(2018 年——译注)早些时候,天文学们宣布发现了一个名为 NGC 1052-DF2 的星系,而其中似乎根本不含有任何暗物质。“显然,暗物质并不是形成星系的必备要求,”耶鲁大学的 Pieter van Dokkum 当时对 Space.com 这么说。然而经过一个夏天之后,另有一个独立团队发出分析称,van Dokkum 团队估测的星系距离有误,这意味着该星系的可见物质其实要比初次发现的更暗、更轻,属于暗物质的质量比例也比之前所显示的结果要高。

DAMA/LIBRA 结果又是怎么回事?

在粒子物理学中,长久以来的一个未解之谜,就是名为 DAMA/LIBRA 欧洲试验那些令人费解的结果。这个探测器位于意大利大萨索山地下的矿洞中,一直在搜索暗物质粒子的周期性振荡。这一振荡应该会伴随这地球围绕太阳运动时发生,因为地球是在环绕太阳系的暗物质星系流中穿行——有时这也被称为“暗物质风”。从 1997 年起,DAMA/LIBRA 已经声称看到的正是这种信号,然而没有其他试验曾经见过任何与此类似的现象。

暗物质可以带电荷吗?

来自于时间之初的一个信号,让有些物理学家认为,暗物质可能带有电荷。在宇宙的婴儿期,大爆炸发生仅仅 180 个百万年之后,恒星就发出了波长为 21 厘米的辐射。随即,辐射被周围的冷氢同步吸收。今年(2018 年——译注)2 月检测到了这种辐射,其特征表明,这些氢要比科学们原本的预测冷得多。哈佛大学的天文学家 Julian Muñoz 在当时给 Live Science 的假设中说,带有电荷的暗物质可以从遍布的氢中吸收热量,有点类似冰块漂浮在柠檬水中的情形。但是,这一猜想也有待证实。

普通粒子可能衰变为暗物质吗?

中子是寿命有限的常规物质粒子。大约 14.5 分钟,一个脱离了原子的单独中子就会衰变为一个质子、一个电子和一个中微子。但是,两个不同的实验装置给出的这一衰变寿命有轻微不同,二者差异大约有 9 秒钟。这一结果来自于《物理评论快报》(Physical Review Letters) 杂志 7 月的研究试验。今年(2018 年——译注)早些时候,物理学家们认为,如果该时长的 1% 某些中子衰变为暗物质粒子,就可以解释这一异常值。洛斯阿拉莫斯国家实验室的 Christopher Morris 和他的团队,试图监控中子成为暗物质的信号,但没有探测到任何结果。他们认为,根据这一研究,依然有其他可能的衰变方式。

暗物质真的存在吗?

考虑到科学家们在尝试探测和解释暗物质过程中所遇到的困难,我们不禁要怀疑,他们是不是从根儿上就错了。多年来,少数物理学家一直在宣扬一种观点:或许我们对于引力的理论就是错的,基本力在大尺度上的表现,跟我们预想的并不相同。这些观点通常被称为“修正版牛顿动力学”或 MOND 模型,并假设:暗物质不存在,而我们观察到的恒星与星系间的彼此超快速环绕,只是引力以某种神奇方式发生作用的结果。“暗物质仍然是一个待验证的模型,”物理学家 Don Lincoln 在写给 Live Science 的解释中如此写道。然而,贬低者们的想法还没有让更多的人信服。至于最新的证据?它表示暗物质真实存在。

看看网友怎么说

用户944444258821:暗物质的组成粒子有可能小于夸克,这个需要进一步研究。

用户944444258821:暗物质分四种暗物质,目前为止只有发现四种暗物质,而暗物质的产生是基于大质量中心天体吞噬与辐射的平衡中的辐射效应。

用户944444258821:我是姜勇,告诉你暗物质是纯在的。

用户944444258821:衰变和轴子不可能是组成暗物质的,而暗物质衰变实验建议不能在太阳系里做,威力大会对星系的稳定产生影响。

用户944444258821:我们可以探测部分暗物质,可以用能量传递方式研究暗物质。

用户944444258821:暗物质不具有太高的质量性质,这个是一个误区,暗物质是大型中心天体辐射效应的一种能量传递形式。

智力之花:存档学习。

星际猜想:暗物质、暗能量其实就是时间引力

用户944444258821:暗物质能量传递速度远远超过光速。

用户944444258821:暗物质属性类似于场,就像光具有波粒二象性一样,这种暗物质具有场的特性,就是隔着物体实现能量传递的物质。

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