Question

暗物质与暗能量是怎样被发现的? 怎么被区分开的? 它们有什么联系吗?

越详细越好

Answer 1

在天文学史上最大的一个意外是，人们发现我们在太空中看到的所有东西只占据宇宙所有物质能量的1%不到。 而星系之间难以探测的稀薄气体连带所有其他形式的常规物质，总量只占据万物的大约4.5%。占据约26%更大比例的“非重子物质”由某类奇异的不可见粒子组成，它们并不形成原子。暗物质的引力支配着宇宙，塑造着宇宙的历史，并施加引力使得常规物质可以积累形成星系，就好象是在不可见的池塘上形成的浮渣斑块一样。 剩下的大约70%是所谓的“暗能量”，它们导致了宇宙的加速膨胀。其本质是更大的未知。 但是更多的线索继续被人揭示出来。在美国天文学会会议6日召开的新闻发布会上，4个小组宣布了新的发现，可以改进我们对这些现象的认识。 倾斜的银晕： 长时间以来天文学家就知道，像我们的银河系这样的大型星系位于名为星系晕的大型暗物质池中央。由UCLA的戴维·劳（David Law）领导的小组确定出，银河系的暗物质晕并非球形，而是被挤压过的形状。令人吃惊的是，它变平的轴向相对在夜空中定义为人熟知的银河的可见恒星盘倾斜了90度角。 该小组通过分析“人马座星流”（见下图）中上千颗恒星的运动得到的这个结论。星流是一个矮星系的残余，该星系在近距离经过银河系的时候被引力扯碎，剩下的是长长的纤维状结构，当下在银河系之外环绕了两周。星流不同部分的恒星运动揭示出了不同部位的银晕对它们施加的引力。 人马座星流的一个模型，早先靠近银河系的一个矮星系被银河系的潮汐力扯碎，形成了该星流。星流环绕于银河系两周，一部分在矮星系后方，一部分在前方。恒星的运动泄露出了暗物质的存在。（图片提供：David R. Law / UCLA） 人们发现，银晕是个三轴球体，这意味着它在3个方向上的直径各不相同。劳说：“如果将银晕比作海滨气球，它的一侧是被挤扁的。”这一点参见下面的示意图。 以银河系为中心的三轴暗物质晕的“海滨气球”比方（海滨气球的颜色是随意选择的）。（图片提供：David R. Law / UCLA） 劳补充说，天文学家之前设想的银晕应该是沿与银盘相同的轴向被挤压的，这是由于普通物质和暗物质根据推测应该是来自同一源头的：被定义了引力通道的暗物质纤维所引导。 银晕的大小和形状受到了银河系新近与其他矮星系并合的影响，因此将来对银晕的详细研究应该能给出更多有关银河系吸收小型邻居的演化过程。 邻近的暗能量： 10几年前，天文学家发现了宇宙的加速膨胀，这与他们的设想相反。这一发现的关键是通过星系中的Ia型超新星视亮度来测量星系的距离，这类超新星的亮度与星系红移无关。然后距离可以与红移（根据光线的变化给出宇宙的膨胀）相对照。这样天文学家就可以知道膨胀速率在宇宙长久的历史中是如何变化的了。 从那时起，天文学家找到了大量的其他证据说明有同一种力量在使膨胀加速，还给出了加速的大小。而关键的一点是，它看起来并不会随着空间的扩张而变弱或变强。因为没有任何更好的名称，它被命名为“暗能量”。 现在一个国际小组在我们自己的本星系群内释放出了暗能量的效应。本星系群包括银河系、仙女座大星云、M33，还有迄今为止辨认出的大约50个矮星系。 该小组分析了由由俄罗斯天文学家伊戈尔·卡拉切谢夫（Igor Karachentsev）领导的小组利用哈勃太空望远镜对本星系群星系运动的观测。通过研究星系相对本星系群引力中心的运动，他们可以找到本星系群的引力在大尺度上让位于暗能量“反引力”效应的界限。在此界限以外的星系将向外运动，最终迷失在宇宙中。 来自阿拉巴马大学的小组成员吉恩·伯德（Gene Byrd）说：“我们发现了暗物质外流的排斥力，它与通过研究数十亿光年之外的星系所找到的相同。”他补充说，过去科学家通常会先在我们附近发现一个重要的效应，之后将其运用到更为遥远的天体上。“这次我们是从整体效应走到了局域效应上。” 星系越小，暗物质越多： 由马里兰大学的斯泰西·麦戈（Stacy McGaugh）领导的第三个小组搜寻了从大型星系团低端的矮星系到高端的星系，来寻找普通物质与暗物质的比例是否随星系尺度变化。从最小到最大，星系的质量差别有1亿倍。 确实有个显著的趋势。麦戈与他的同事发现，星系或者星系团的质量越大，其普通重子物质所占据的比例就越大。在整个宇宙以及最大的星系团中，暗物质与重子物质的比例是5比1。但是在较小的结构中，这一比例会增加，直到普通物质与暗物质相比为数甚少的矮星系。麦戈说：“对于宇宙中的每一个（较小的）天体来说，并不能解释一些普通物质，而普通物质的一大部分都存在于小型天体内。我们并不知道它们跑到哪里去了，这确实是个大问题。” 一个理论是，星系越小，就越难约束住早期超新星吹掉的气体；在引力较弱的星系中，气体逃逸到了星系际介质里。与普通物质不发生作用的暗物质并不会受超新星爆发激波的影响，因而保留了下来。 星系的增长： 由马普地外物理所的尼夫·德劳利（Niv Drory）领导的第四个小组分析了来自宇宙演化巡天（COSMOS）的300000个星系的数据，以确定在过去80亿年间星系的演化情况。该小组的目标是确定不同质量的星系在宇宙历史不同时间上的数量。如德劳利所说，“我们想了解我们邻近的星系动物园是如何形成的”。 起初星系是小而繁多的，随着时间的推移，这些小型结构并合到了一起，形成像银河系这样的大型星系。不过显然这一过程不会是简单的。该小组发现，星系质量的分布并非如猜测一般平滑：质量较小的矮星系数量急剧增加。而大型星系在质量分布图上显示为一个显著的峰。这些结果为暗物质晕并合方式随时间的演化以及反馈机制对宇宙演化的塑造（如超新星风从小型星系中赶出气体）提供了线索。德劳利说：“有了这项巡天，我们就可以将这样的演化追溯到宇宙年龄相当于今日之半的时候。”