暗物質這麼神秘,我們究竟能不能窺見它的容顏呢?

2021-01-12 天文在線

網友提問:暗物質會不會是平行宇宙的「引力陰影」?

物理學家:非常簡潔的回答:不能。或者…基本上確定不能。

暗物質是一種我們看不見也摸不到的物質,但是我們知道它的存在,因為它影響了我們能看到的普通物質的運動。儘管一個世紀前有模糊的證據顯示暗物質是一種物質,但直到20世紀70年代通過直接觀察星系中恆星的運動時才發現星系中存在太多物質才確認。真的是太多太多物質。

宇宙中的暗物質比普通物質要多得多,以至於其引力的影響或多或少決定了物質密集度(星系甚至星系團)最集中的地方最終會在哪裡

圖解:通過在數字模型中模擬暗物質,我們得到了符合宇宙中的物質最大規模分布情況,也就是和如今我們看到的的星系的發展一致。

弦理論的預測之一(可能)是我們的宇宙是一層「膜」,一個漂浮在被稱為「大塊頭」的更高維度空間中的時空「片」。其它的膜(其它宇宙)可能在附近漂浮,幾乎與我們的宇宙重疊,距離很近。膜上的所有原生粒子都附著其上,但粒子產生的引力可能不會。所以也許我們所感知到的暗物質其實只是來自另一個鄰近宇宙中物質的引力。這就解釋了為什麼我們看不到它,為什麼它不會撞到東西。

藝術家想像的膜理論模型。膜上的粒子(床單)存在於一個高維「體宇宙」時空(後院)中,而一張膜上的重力或許會影響其它膜上的物質。

這種想法的弊端就是它需要採取幾個步驟去證實,而這幾個步驟無法通過直接實驗去完成。 「塊」,其他「膜」甚至弦理論本身也只是一些有趣的想法,因為目前為止沒有哪一個理論預測是已被實驗所驗證的(目前)。

在探討「膜」理論前,我們對暗物質的了解有多少值得考慮。通過仔細計算恆星的數量,質量的分布,氣體和塵埃的數量(通過觀察塵埃如何過濾內部的星光),然後計算出所有的重力,我們可以計算出星系中的每一顆恆星應該以多快的速度運行。我們發現了兩件事:第一,存在比我們所能看到的要多很多倍的物質;第二,這種不可見的物質分布在每個大的星系周圍,就好像它從未被堆積增大過一樣。最後一點很重要。

圖解:大量的普通物質(橙色)會相互碰撞,導致它們減速併集中於一個地方。暗物質(灰色)不會相互碰撞,包括它們自己,所以它們仍會相互分離。

因為吸積太空中的物質傾向於聚集到一起或者平鋪成圓盤狀(或兩者都有),當物質有機會內部發生碰撞,在柔軟的無比巨大的塵埃雲中物質匯聚形成針尖(比如恆星或者行星)

圖解:天鷹星雲的一個角落裡形成了四根高度以光年計的創造之柱。這些氣體和塵埃極其分散,但通過吸積它們集中了很多。如果這些柱子每個都有佛羅裡達那麼大,那麼在它們內部形成的恆星大概有一個水果那麼大。

通過觀察恆星的軌道速度和它們與星系核心的距離,我們發現它們圍繞著一個物質盤和一個質量約為10倍的瀰漫雲(確切的比率因星系而異)。所以不管暗物質是什麼,它有很多而且不會碰到任何東西。

現在和20世紀70年代相比除了計算機能力、太空望遠鏡和髮型的逐漸變化,沒有什麼不同。隨著我們的望遠鏡和計算機在過去幾十年裡略有改進,我們不僅能夠確定暗物質的存在,而且還能夠確定暗物質的存在地點和存在的範圍。引力透鏡是指光通過質量非常大的物體時會發生彎曲。根據物體對的扭曲程度來確定物體的質量是非常困難的,但是在後pong時代的計算機中是很容易做到的

圖解:我們(相機),一個星系(橙色模糊的東西),和一個遙遠的星系(模糊的藍色環)排成一條直線。橙色星系的引力扭曲了它背後星系的圖像。

如果在同一個地方出現或多或少的暗物質和普通物質(他們通常會這樣),那麼很難確定是暗物質的存在影響了重力分布還是我們對重力機制理解錯誤。幸運的是,暗物質不僅是很重,而且相互作用也很弱;當巨大的普通物質團發生碰撞而它們相隨的暗物質團卻顯然沒有碰撞時,這種特性暴露了暗物質的存在。

子彈星團實際上是一對碰撞的星系團。當星系或星系團碰撞時,它們的恆星會彼此錯過(因為恆星與它們之間的距離相比是非常非常的小),但它們的巨大氣體雲卻能找到彼此。當這種情況發生時,他們會加熱(不僅僅是由於物理撞擊,而且也是由於他們彼此磁場電離的影響電離),直到他們發出X射線。閃爍的X射線使得這些撞擊非常明顯。所以你會認為當星系團相互碰撞時,中間應該有大量印氣體雲會互相碰撞而加熱的大塊物質。相反,絕大多數的質量以兩個大塊的形式穿過,我們只能看到他們碰撞中間看到一些加熱的氣體,。

圖解:子彈星團是一個37億光年遠的星系群(在圖中所有其他星系和恆星後面)。在這個(特殊處理)照片靠前的星系在可見光譜成像(實際上就是我們能看到的樣子),桃花色的兩個星團中碰撞的氣體雲發出的X射線,紫色是通過引力透鏡分析得到的質量密度分布圖。

這裡的重點是暗物質是實實在在的物質,而不是一個巨大的愚蠢的錯誤或誤算。你可以指出它在哪裡,說有多少,甚至談論它在做什麼。我們不能直接探測到它,因為它不接觸任何東西。事實證明,這並不完全奇怪。

不同的粒子通過不同的力相互作用。例如,質子通過四種基本力相互作用:強核力、弱核力、電磁力和重力。這種強力使質子和中子緊緊地擠在原子核裡。另一方面,電子之間除了強力之外的所有作用力都會相互作用,這就是為什麼它們會在原子核周圍而不是在原子核內部嗡嗡作響的原因。

中微子只通過微弱的引力相互作用。當你試圖穿過一堵牆卻失敗了,你是在通過電磁力相互作用。沒有電磁力,中微子可以自由地穿過任何東西。大約每秒有一萬億次中微子穿過你的身體,但是我們最好的、最大的中微子探測器一天只能探測到幾十個中微子(大部分來自太陽,而且這些探測器日夜工作,因為中微子並沒有真正注意到地球)。由於它們通過弱力相互作用(而且不是很好),中微子是「弱相互作用」的。

無論暗物質是什麼,它似乎使事情更進一步:僅通過引力相互作用。沒有強力就不會形成元素。沒有電磁力,它通過普通物質和自身。沒有弱力,我們就無法直接探測到它。但是如果有足夠的重力(似乎有),我們就能探測到它的重力。

現在,尋找暗物質有點像在你的房子裡布下陷阱,因為你的奶酪總是不見了,你能聽到牆壁上的嗖嗖聲。肯定有東西在那裡,你或多或少知道它在哪裡,它是什麼樣子的,但如果能確切地知道你在處理什麼就好了。

圖解:尋找暗物質:我們知道那裡有東西,我們只是想抓住它以確定。

所以,要真正回答那個很久以前的問題:暗物質可能是另一個宇宙(或膜或其他什麼)中流入我們的物質的重力嗎?可能不會。暗物質不與普通物質相互作用,這可能是因為它在不同的膜上。但即便如此,根據它是如何分布的我們知道它也不會和自己相互作用。因此,引入其他的宇宙並不能回答任何問題,它只是用未經驗證的想法把現有的問題攪亂。這就像用蜂蜜把口香糖從頭髮裡弄出來一樣;情況有所不同,甚至可能會引發思考,但並沒有更好。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. askamathematician-The Physicist-河西沿

如有相關內容侵權,請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權,並注意保持完整性和註明出處

相關焦點

  • 科學家發現宇宙中的暗物質正在減少,是什麼在「淘汰」它?
    提到暗物質,總會讓人覺得神秘。近期,來自澳大利亞墨爾本大學、美國萊斯大學、歐洲核子中心等多所大學、科研機構聯合組成的國際科研團隊,通過大量數據研究分析後,提出了一種有關與暗物質的新看法:認為宇宙中的暗物質正在不斷減少,這是怎麼回事呢?
  • 暗物質衛星上天 揭秘暗物質是什麼?
    而它的「火眼金睛」是世界上迄今為止觀測能段範圍最寬,能量解析度最優的空間探測器。常進說,中國暗物質衛星的觀測能段是國際空間站「阿爾法磁譜儀」的10倍,能量解析度比國際同類探測器高3倍以上。「悟空」將面朝太空,接受來自宇宙四面八方的高能電子和伽馬射線。由於暗物質可能存在於任何區域,它頭兩年將對全天掃描,探測暗物質存在的方位。
  • 「悟空」號衛星:撥開暗物質的「烏雲」
    看不見摸不著卻與我們息息相關20世紀30年代,科學家發現,宇宙中可見物質遠遠不足以把星系連成一片,構成星系團,如果不是存在一種神秘而不可見的物質,星系團早就分崩離析。科學家把這種看不見的神秘物質稱為「暗物質」。到了20世紀70年代,多種天文觀測結果都暗示著暗物質的存在。但直到現在還沒有確切的暗物質信號被探測到。
  • 地球或被暗物質包圍,這些肉眼不可見的物質,能直接穿透地球
    所以照此看來,太陽系應該比我們想像中的要充實很多,周圍應該存在大量暗物質,並且事實也確實如此。地球也被暗物質所包圍重點還在暗物質本身,由於暗物質是一種看不見的神秘物質,約佔宇宙所有物質和能量的27%,但儘管很多理論都能證明暗物質確實存在,但從未直接檢測出暗物質或暗能量。主流理論認為,暗物質不會主動移動,可能會根據自身密度的波動將一些普通物質組合在一起,引力充當將普通物質和暗物質結合在一起的膠水。
  • 宇宙中最神秘的boss:暗物質,他的起源會早於宇宙大爆炸嗎?
    暗物質可能是宇宙中最大的謎團。我們知道,有些事情的出現會讓某件事發展得比他們應該發展的速度更快。但是我們不知道它是什麼,我們當然也不知道它從哪來。如果這個假設成立,這不僅僅表明在粒子物理學和天文學之間存在著一種新的聯繫,它也可能會表明一種尋找某種神秘物質的新方法。
  • 暗物質究竟是什麼?科學家們為此發生了一次有意思的爭執
    但是我們始終對暗物質的實質一無所知。他們為什麼會得出兩個截然相反的結論呢?我們先來看看雙方各自是怎麼得到結論的。反對暗物質是惰性中微子的科學家,麻省理工學院研究員班傑明.薩弗迪認為觀測到的X射線未必來自於暗物質。他所在團隊尋找了4000多張恆星之間的空間內的照片,假如我們所處的星系在一個巨大的惰性中微子云中,那麼望遠鏡應該能探測到3.5千電子伏特的X射線閃光。可他們並沒有發現任何的跡象。
  • 暗物質與黑洞都不可見,是不是同種物質?天文學家:暗物質更可怕
    在天文學中,我們常常可以見到這兩個名詞,一個名為暗物質、另一個名為黑洞,這兩個詞一暗一黑,總是給人一種很神秘的感覺,今天我就來和大家聊一聊:暗物質與黑洞到底是什麼?它們究竟是不是一類物質?其實,暗物質更加可怕。其實暗物質與黑洞是兩種完全不同的物質,那麼,為何它們總是給我們一些相似的錯覺呢?這是因為暗物質與黑洞有很多的相同點。
  • 神秘的幽靈,暗物質,如何影響著宇宙?
    什麼是暗物質?關於暗物質的故事,最好是分成兩塊。首先,我們有理由相信暗物質是存在的。其次才是去搜集對「暗物質到底是什麼」的可能的解釋。為什麼宇宙需要暗物質?我們相信宇宙處於一種由開合帶來的非常重要的平衡之中。這個結論來自於對宇宙結構的大量觀察。
  • 反物質和暗物質有什麼區別?
    物質構成了宇宙,大到整個宇宙,小到我們身邊周圍,物質無處不在,那麼物質的本質是什麼? 138億年前,奇點大爆炸之後,誕生了正物質,反物質,暗物質等,很多人經常把暗物質與反物質混在一起,但暗物質不是反物質,它們之間也沒有什麼聯繫,下面我們來介紹一下這兩種物質。
  • 宇宙新模型:探索神秘暗物質和萬有引力?
    過去30年,大多數宇宙學家都利用「標準模型」來回答很多關於宇宙的問題,比如那些可能佔據了宇宙很大一部分的神秘暗物質和暗能量到底是什麼?宇宙為什麼還在擴張?利用「標準模型」,科學家在模擬宇宙形成和匹配觀測數據等方面都取得了廣泛成功。
  • 暗物質是什麼樣的粒子呢?宇宙的大尺度結構究竟是什麼樣?
    暗物質是一種非常態物質,我們既看不見也摸不著,但確確實實遍布在宇宙各處,甚至對宇宙的演變起到了至關重要的作用。起初科學家對宇宙和各大星系的質量進行計算,但總是存在一些誤差。我們所看不見的暗物質20世紀70年代,暗物質的存在被正式肯定,宇宙理論大統一以後,科學家們在20世紀70年代末的實驗測量中發現中微子存在質量,並且質量在30eV左右(目前測量結果低於該數值
  • 暗物質可控制宇宙?如果人類找到暗物質,文明會有所提升嗎?
    暗物質可控制宇宙?如果人類找到暗物質,文明會有所提升嗎?地球作為宇宙中唯一存在生命體的星球,它的這種特性讓我們感到十分恐懼。在過去的幾個月,各種災難頻繁出現,我們的這種恐懼感也變得越來越強,科研人員也加快了探索宜居星球的步伐。人類在地球出現的這些年裡,看似順風順水,實則暗藏洶湧。人類在災難面前,無異於是螳臂當車,不自量力。那麼在未來,科研人員是否能夠找到一顆特殊的星球,能夠供我們生存呢?
  • 暗物質消失案:銀河系發現神秘新的嫌疑人
    暗質:顧名思義,是一種無形的神秘物質,是影響星系形成和生命維持的重要因素。 這樣就產生了強大的引力,促使星系形成,並使現有星系保持完整。他說:暗物質不存在,因為它已經消失了。在NGC1035附近,我們發現巨大星系的引力使恆星和暗物質消失。
  • 反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?
    我們在平時經常會聽到反物質,暗物質,暗能量等詞彙,這些其實都是物理學中的概念。那它們之間有什麼區別,又和我們這個世界的一般物質有什麼關係呢? 今天,我們就來說說這個問題。
  • 愛因斯坦曾推斷:宇宙是被一種叫做暗能量的神秘物質主宰
    宇宙被暗物質主宰我們的宇宙被一種名為暗能量的神秘力量所主宰,這是愛因斯坦的一個推論。它在很早之前就被理論推導了出來。暗能量佔據了宇宙總質量和總能量的2/3,但是依然讓我們冥思苦想,暗能量是一種新的場還是一種新的力,還是一種我們對其一無所知的能量?20年前,科學家們注意到了一股神秘的力量在把宇宙往外推。這種力量無處不在。然而我們卻看不到它。除了它佔了宇宙整個物質構成的2/3之外,我們對它完全不了解,暗能量是什麼?從哪裡來的?由什麼構成?
  • 大爆炸、暗物質與宇宙的命運
    我們回到稍微嚴肅一點的話題,就是科學需要想像力,但不能天馬行空。更重要的是,要用實驗觀測證據來檢驗想像力想出來的東西是否真的代表宇宙的演化過程,是否真的有這麼一個點?就是這種能量(真空能)不能完全穩定,會發生衰變,轉化成別的物質,這些物質就是我們今天所看到的這些物質,宇宙中的物質就是這麼來的。吳寶俊:有人說宇宙大爆炸初始有三分鐘,是您說的冷的過程吧?黃慶國:不是。
  • 宇宙中的神秘暗物質到底是什麼?大發現顛覆人類的認知
    暗物質幾乎佔宇宙重量的85%,這意味著它是我們所熟悉的組成恆星、行星、人類和其他一切的「普通物質」的6倍。但是沒有人確切知道暗物質是什麼。這種神秘的存在是不發光的,它是極其困難的研究。學者們只能通過暗物質對天體的引力作用來揭示其存在。
  • 充滿整個宇宙的暗物質如此強大,那麼最終它會吞噬我們的地球嗎
    既然是暗物質或者暗能量,那麼肯定不是我們空間所常有的物質形式,或者說這幾乎是根本不可見甚至不可被觀察到的,不管是物質還是其能量。暗物質是理論上提出的可能存在於宇宙中的一種不可見的物質,它可能是宇宙物質的主要組成部分,但又不屬於構成可見天體的任何一種已知的物質。而只有通過持續有效的宇宙觀察並做各種各樣的實驗數據對比,才可能證實暗物質的存在!
  • 探究宇宙暗物質,那些加速宇宙膨脹的神秘力量
    探究宇宙暗物質,那些加速宇宙膨脹的神秘力量 2020-09-30 11:24 來源:澎湃新聞·澎湃號·湃客
  • 世界上的一切物質都是由原子組成的,那暗物質是否也包含粒子呢?
    那暗物質呢?我們不能否認它存在的間接證據,如果存在,那它是否也包含粒子呢?問題曾經,我們認為暗物質由粒子組成,並試圖去找到它們,但是如果我們尋找錯了,該怎麼辦?如果把暗能量認為是空間本身組織中固有的能量,那麼「暗物質」是否也是空間本身的內部功能?如果不是這樣的話,那麼如何去解釋我們觀察到的引力效應會受到「暗物質」的制約呢?