什么是暗物质?人类目前如何探测暗物质?
你知道宇宙80%以上的质量是未知的吗?我们所知道的那很小一部分是由行星、恒星组成的,包括我们人类的星球,但宇宙的大部分是由未知的质量组成的。这个未知的质量究竟是什么,因为它从未被直接探测到过,这是物理学家今天面临的一个重大问题。
尽管这个未知的物质从未被探测到,但它确实有一个名字:暗物质。
但是等等,如果它从未被检测到,我们怎么知道它的存在呢?
根据观测结果,天体物理学家发现,根据现有已知"明亮"物质的计算,星系的旋转速度比预期快得多,也就是说,在发光的恒星中不应该有足够的引力将星系聚集在一起。然而,星系很少解体,很明显还有其他的引力源将所有的东西聚集在一起。
这种神秘物质被称为暗物质。
但暗物质又是什么呢?
多年来有许多粒子成为候选者:轴子、引力子等,但目前理论上最有希望的粒子还是WIMP,即弱相互作用的大质量粒子。"弱相互作用"的发生十分微弱,很难被发现。
这是一幅图片:太阳系和它的行星,像地球一样,沐浴在一个微弱的光环中,在周围飞行,偶尔与普通物质的原子核相互作用。
当然,为了探究她到底是什么,科学家已经做出了很多努力,在世界各地建造的地下实验室中试图能够探测到它,并在大型强子对撞机中"制造"它,类似于在大爆炸中的被创造一样。到目前为止,所有这些尝试都失败了,暗物质仍然像以往一样难以捉摸。
如果它比预期的更难以捉摸和/或其属性并不能受到传统人类的搜索或寻找方式而被发现,那该怎么办?科学界最新提出了扩大探测参数空间,特别是低质量暗物质粒子的新思路,极大地提高了探测灵敏度。
暗物质是与可见物质相对的物质,就是不参与电磁相互作用的物质,中微子就是一种暗物质,大家耳熟能详的黑洞事实上也是一种暗物质。但这两种常见的暗物质只占我们推测出的暗物质总量的1%。
人类目前可以通过星系团的质量、星系旋转曲线、引力透镜效应观察、宇宙微波北京辐射等方式观测到暗物质。
一、用星系团的质量观测到暗物质。星系团的质量可以用两种方式计算:光度质量和动力学质量。理论上这两种方式计算出的星系团质量应该是相差不大,但事实上不可思议的是用光度质量计算出的星系团质量远远小于动力学质量计算出的。这就说明一个事实:宇宙中存在发光物质和不发光物质(暗物质),且这个暗物质的数量远大于发光物质的数量。这是观测暗物质的证据。
二、用星系旋转曲线观测到暗物质。理论上,星球离开星系中心越远,转速越慢,然而事实上,在星系外缘的星球的旋转速度与靠近星系中心的星球的转速几乎一样,这种情况下如果没有被某种看不见的物质吸引,这些外缘高速旋转的星球将被离心力甩出星系,事实上并没有发生这种事,所以这意味着存在某种暗物质,所以这也一种重要的暗物质观测数据。
三、通过引力透镜效应观测到暗物质。通过引力透镜效应观测到的星系质量分布比仅用X射线信号反映出的可见物质的分布广,可见,可见物质只是星系团质量的一部分,星系团存在大量的不可见的暗物质。
四、用宇宙微波背景辐射观测到暗物质。宇宙微波是宇宙大爆炸留下来的光,这些光已经充满了整个宇宙。用探测卫星探测这些光,可以看到这些光的分布图,从而观测到各种物质的组成比例。结果是暗物质的占比远大于可见物质5倍多。
随着科技的发展,相信会有更多的暗物质的观测手段出现,进而解密暗物质的奥秘。