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开博时间:2016-07-01 14:43:00

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揭秘“宇宙的黑暗面”

2018-07-17 21:42:00

  美国天文学家卡尔·萨根曾说:“我们是由恒星物质组成的。”意思是说,无论是恒星,还是地球、月亮,亦或是一个人、一条狗,都是由同样的物质组成的,如碳、氢、氧……但近几十年来,天文学家认为,宇宙中并非仅仅存在“恒星物质”,还有一些东西似乎在用一种出乎意料的方式影响星系运动,它们构成了“宇宙的黑暗面”,被称为暗物质和暗能量。由于无法直接看见,天文学家不得不研究暗物质和暗能量对恒星和星系的影响,所以还是得观测那些看得见的恒星和星系。

  2017年年初,美国国家航空航天局的钱德拉X射线太空望远镜捕捉到一束不寻常的X射线辐射,被认为有可能是暗物质粒子发生衰变时产生的X射线信号。此前,类似发现也出现过,有时是X射线辐射,有时是伽马射线辐射,但均未被此后的研究证实它们真的来自暗物质的衰变或者湮灭。

  人们现在已经知道,在宇宙中,暗物质的占有量位居第二,而暗能量居第一,最后才是我们熟悉的恒星物质,它们只占宇宙物质总质量的不足5%。假若我们信奉“眼见为实”,那么绝大部分宇宙我们就无法相信了。这样的现实成就了现代科学中最大的疑问:我们的宇宙究竟是什么?除了已知粒子外,宇宙中究竟还有什么?

  现在,全世界的物理学家都想发现暗物质粒子,也想了解暗能量。他们在地下实验室里做实验,他们用功能强大的太空望远镜获取数据。一场破解“宇宙黑暗面”之谜的大竞赛正在如火如荼地进行着。

  暗物质的发现

  我们知道,物体的质量越大,引力便越大。正是由于引力的存在,地球才会围绕太阳旋转,而不是脱离太阳直接飞走;同样是引力,也让科学家意识到了暗物质的存在。

  1933年,美国加州理工学院的天体物理学家弗里茨·兹威基研究了一个遥远的星系团—后发座星系团。这个星系团中的所有星系都因引力的作用而聚在一起。兹威基计算发现,仅靠星系团中可见部分的质量根本就无法解释星系团的运动,除非把这个质量扩大100多倍。兹威基推测,一定有某些看不见的东西在那里,这种看不见的东西没有确切的名字,他称之为“暗物质”。

  随着时间的推移,越来越多有关暗物质存在的证据出现了。20世纪70年代,天文学家观测到有些星系的旋转方式很奇特,这种奇怪的运动只能用暗物质的影响来解释。他们还发现,宇宙中星系的总质量确实远远大于星系中可见星体质量的总和,这也为暗物质理论提供了重要依据。

  探索暗物质的本质

  美国太空望远镜科学研究所的丹·科主持了一项针对“阿贝尔1689”的星系团的研究。这个星系团距离地球22亿光年。由于大量暗物质的存在,巨大的引力使它宛若一个宇宙中的“放大镜”,它背后遥远星系发出的光都被这个“放大镜”扭曲和放大了,这就是“引力透镜”现象。这种现象有点类似哈哈镜,它把现实中的景物改变和增强了。你还可以想象光线穿过水杯或者水池时发生弯曲的情形。正是这些变形的影像为天文学家推测星系团中的暗物质提供了线索,从而让丹·科等人标示出了其中暗物质的分布情况。

  然而,证明暗物质的存在并不等于有关暗物质的问题就解决了,科学家还必须找到组成暗物质的粒子,而这项工作更加困难,迄今收效甚微。尽管人们设计了很多实验,但多局限在“排除法”,即用各种实验排除一些暗物质的“候选者”,但尚未能主动地捕捉到暗物质粒子。

  普通物质由质子、中子和电子组成,称为“重子物质”,而暗物质则属于非重子物质。它们的行为很不平常。想象一下,数以亿计的暗物质粒子正在穿透你的身体,它们运动得非常快,接近90万千米每小时;它们穿越原子,仿佛那些原子根本就不存在;暗物质粒子不反光,它们对电流和磁场也毫无反应。

  寻找暗物质粒子

  科学家想出了很多理论去解释暗物质,也想出了很多办法寻找暗物质粒子。随着研究和实验的进行,有的“候选者”被排除了,例如中微子。尽管中微子的存在已被证实,但科学家发现,中微子不足以弥补宇宙中缺失的质量,所以中微子无助于破解暗物质的奥秘。

  另一种未被排除的粒子名为中性子,是一种“弱相互作用大质量粒子”,简称WIMP。它有一些质量,但很少和其他粒子在一起。一些科学家相信,WIMP是暗物质粒子最有希望的“候选者”。

  目前,科学家正在依靠高能伽马射线寻找WIMP。例如使用费米伽马射线太空望远镜捕捉WIMP的踪迹。费米望远镜长约2.8米,口径约2.5米。最初被称作“伽马射线广域空间望远镜”,后来为了纪念美籍意大利裔物理学家恩里科·费米而改用此名。尽管WIMP不会和可见光光子发生作用,但两者撞在一起时会彼此摧毁对方而产生伽马射线,这个过程被称为“湮灭”。科学家认为,探测因“湮灭”而产生的伽马射线能够捕捉到WIMP的蛛丝马迹。

  用X射线太空望远镜也可以从事类似的搜寻,前面所述的钱德拉X射线太空望远镜探测到的X射线信号就是这样的例子。

  极深地下实验室

  寻找暗物质粒子也可以在地下进行。虽然这些粒子只发生“弱相互作用”,但它们还是被认为能够偶尔地撞入普通原子的原子核中。于是一些暗物质实验就将目标锁定在发现这种碰撞上。这样的实验要在地下进行,目的是避免受到其他粒子的污染。

  在美国明尼苏达州的一个矿井下,一项名为“低温暗物质搜寻”(简称CDMS)的计划正在进行当中。其原理是:当暗物质粒子撞击CDMS探测器中的一个原子核时,会引起原子核的震动,从而让科学仪器探测到。除美国外,英国、法国、意大利、日本等国也都建立了自己的地下实验室,这些实验室位于地下几百米到一两千米的地方,实验设备和生活设施一应俱全。

  2010年12月12日,我国首个极深地下实验室—中国锦屏地下实验室在四川雅砻江锦屏水电站正式投入使用,它的垂直岩石覆盖达2400米,是世界一流的洁净低辐射极深地下实验室。有了这个实验室,科学家便有了一个探测和研究暗物质的平台,他们可以自主地开展暗物质粒子的搜寻和研究工作,还可以进行其他国际前沿基础学科的研究。

  迄今为止,暗物质粒子存在的证据依然缺乏。所以,有科学家开始怀疑暗物质的存在,其中一种观点认为,在宇宙的尺度上,引力的法则有可能和我们在地球上的理解不一样,在那样的尺度下,人们发现的所谓暗物质也许只是引力表现出的另一种不同形式而已。

  暗物质的对立面—暗能量

  暗物质将物质束缚在一起,而暗能量则相反,它们将物质相互分开,很像暗物质的对立面。

  天文学家通过观测一种特殊的超新星发现了暗能量。这种超新星非常亮,能让天文学家在很远的地方看到它们,而且它们的亮度还非常一致。科学家通过对其研究,能了解宇宙在以怎样的方式膨胀。

  根据现有理论,宇宙产生于一次大爆炸,这意味着,绝大多数星系之间的距离会越来越大。要理解宇宙的这种运动,你可以在一只气球上涂两个相互邻近的小点,然后把气球吹大,这时你会发现两个小点之间的距离拉大了;你还可以想象你正站在其中一个点上,你会看到另一个点离你越来越远。但是,你怎样知道那个小点离你有多远,移动速度有多快呢?这就要用上超新星了。

  超新星是恒星爆炸的产物,它们非常亮。假若我们观测到一些超新星,知道了它们的亮度,并通过光谱研究知道它们远离我们的速度,那就能推测宇宙膨胀的速度了。20世纪90年代,科学家正是基于上述考虑观测了一些遥远的超新星。出人意料的是,它们所在的地方比人们预想的更远。这说明,宇宙膨胀的速度加快了。为什么宇宙的膨胀会变快呢?人们推测有一种神秘的力量在与引力抗衡,这种不可见的力量导致宇宙加速膨胀。科学家把这种力量归咎于“暗能量”。

  迎接宇宙观的大变革

  暗能量构成了宇宙中不可见的主要部分,它可能占了宇宙总质量的三分之二。如果说暗物质产生引力,试图把物质结合在一起,那么暗能量就产生斥力,试图将物质分开。科学家认为,暗能量是非常微弱的,它对较小的物体只产生微弱的作用,但由于暗能量无处不在,它们结合起来的力量就非常大,足以克服来自暗物质和普通物质共同产生的引力,并把宇宙从减速膨胀的状态扭转到加速膨胀的状态上来。

  到目前为止,暗物质和暗能量依然是最大的宇宙之谜。由于它们的总和占了宇宙物质总质量的近96%,假若人类不解开这道谜,就等于我们对96%的宇宙是不清楚的。假若解开了这道谜,那人类就获得了认识宇宙的巨大进步。

  科学家推测,也许人类正处在一个迎接重大科学发现的关键时刻,因为一旦人类对96%的“宇宙黑暗面”有了突破性的认识,那么人类的宇宙观就会发生巨大的改变,人类对自然世界的认识就会出现根本性的变革,人们对时间、空间和物质的看法也就变得和过去完全不同了。

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