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王根喜的三联数字博客

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日志

 
 

神秘的暗物质  

2012-08-17 20:12:49|  分类: 三联数字与科学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1.暗物质的概念

   在宇宙学中,暗物质是指那些自身不发射电磁辐射,也不与电磁波相互作用的一种物质。人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质存在的最早证据来源于对球状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、微波背景辐射等研究表明:我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4%,暗物质占了宇宙的23%,还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。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结果。

2.暗物质是谁最先发现的呢?

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”。

 

3.现代科学认为暗物质的候选物质

   长久以来,最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子,它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子,只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当,甚至更长。由于成团过程发生在比哈勃视界(宇宙年龄与光速的乘积)小的范围内,而且这一视界相对现在的宇宙而言非常的小,因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕银河系的尺度要小得多,质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大,这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构,而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系,定性上这是与观测相一致的。相反的,对于相对论性粒子,例如中微子,在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点。无碰撞指的是暗物质粒子(与暗物质和普通物质)的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方,并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。

  (1)低温无碰撞暗物质

  低温无碰撞暗物质(CCDM)被看好有几方面的原因。第一,CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二,作为一个特殊的亚类,弱相互作用大质量粒子(WIMP)可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱,那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后,由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计,这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是,在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。

  (2)中性子

  其中一个候选者就是中性子(neutralino),一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础,它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子(尚未观测到),同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天,伴随粒子将都具有相同质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺,于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且,大部分超对称伴随粒子是不稳定的,在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是,有一种最轻的伴随粒子(质量在100GeV的数量级)由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中,这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的,那么当地球穿过太阳附近的暗物质时,地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意,这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。

  (3)轴子

  另一个候选者是轴子(axion),一种非常轻的中性粒子(其质量在1μeV的数量级上),它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用,由此它无法处于热平衡状态,因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中,轴子处于低温玻色子凝聚状态,现在已经建造了轴子探测器,探测工作也正在进行。

 

4. 暗物质发现证据

据英国《每日邮报》报道,来自苏黎世大学、苏黎世联邦理工学院以及英国莱斯特大学的天文学家们进行了一项最新研究,现在他们有99%的把握确定太阳被暗物质包围。

早在20世纪30年代,瑞士天文学家弗里茨?兹维基(Fritz Zwicky)就提出了暗物质的概念,他认为星系团之间充满了神秘的暗物质,可以确保各个星系或者星系团之间保持一定的距离。几乎在同一时间,来自荷兰的科学家简?奥尔特(Jan Oort)发现靠近太阳附近的物质密度几乎是普通星系或星系团的两倍,从而解释了恒星和气体在宇宙中单独存在的现象。

在接下来的几十年间,天文学家逐渐发展出暗物质的理论模型以及结构形成,来解释宇宙中的星系团和星系的行为,但是太阳附近究竟是否存在暗物质依然是一个谜。

在此项最新研究中,科学家们发明了一种新的暗物质计算方法,并将其应用于靠近太阳的数千颗K型主序星速度与位置计算上,获得了关于太阳附近存在暗物质的线索。

主导此次研究的天文学家西尔维娅?加拉布拉里表示:“我们对计算结果非常有信心,可以99%确认在太阳附近存在暗物质。事实上,我们认为暗物质的密度有些偏高,但其中也存在10%的统计偏差,也就是说我们用九成的把握找到了比预期更多的暗物质,如果将来的数据进一步证实这个发现,将十分令人振奋。”

参与研究的另一位科学家乔治?雷克认为对太阳系暗物质密度进行准确测量计算是至关重要的,如果暗物质是一种新的基本粒子,那么读者在阅读整篇文章过程中就有数十亿的暗物质粒子穿过他的身体。

 一直以来,实验物理学家们都希望能捕捉到暗物质粒子,比如意大利巨石峰国家实验室进行的XENON100实验、美国的低温暗物质搜寻实验计划(CDMSII)等都在殚精竭虑地搜寻暗物质粒子。

 

5.探索暗物质之谜

如果引力子反速度的假设成立的话,我们可以这样认为:引力子存在于反时空中,它的反速度运动产生了四代暗物质粒子。暗物质是由引力子衰变产生的四代稳定的暗物质粒子组成的物质,它们质量小,温度低(是宇宙背景辐射温度的携带者)、寿命长。为了计算方便,我们把这四种暗物质粒子称为 i1  、i2  、i3  、i4  。四代暗物质粒子就存在于宇宙的反时空中,其运行速度是反速度,也是超光速的为1.5×10∧10每秒米。可以用 的数字结构计算四代暗物质粒子的质量。

      i1 为1.995915×10∧-42㎏   , i2 为9.61779×10∧-43㎏

      i3 为6.20164608×10∧-43㎏ , i4 为5.994253526×10∧-43㎏                 

 

热力学中熵的根源就是宇宙物质克服引力子吸收能量所消耗的能量。宇宙不管是膨胀还是收缩,引力子总是吸引能量的。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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