「暗物質」的候選粒子是什麼,網友:黑色的物質

2021-01-10 百變科學

宇宙之大,從來不能阻止人類探索的腳步,人類的探索之眼已經看向了幾百萬光年之外。在美麗的夜空下,天上繁星眾多,然而黑色的空白區域是什麼呢,也許那是我們看不見的地方,裡面有我們不知道的物質。

首次發現暗物質

暗物質是那些不發光,不能用常規方法進行觀測,不與電磁力相互作用的物質。20世紀,美國天文學家薇拉.魯賓首次為暗物質的提供了最基礎的數據。她在利用都卜勒效應觀測仙女座星雲的時候,發現星系的旋轉速度遠遠超出預期。

仙女座星系恆星旋轉圖

然而令人意外的是在高速旋轉下星系並沒有因離心力而土崩瓦解,經過分析得出肯定有其他物質提供萬有引力,然而這種物質是可能就是一種我們看不到的「暗物質」。

星系中心的暗物質

暗物質佐證

2001年美國宇航局發射了WMAP探測器,其目的是為了得到一份精確的宇宙微波背景輻射圖,就是這張微波背景輻射圖為暗物質的存在提供了強有力的證據。

宇宙微波背景輻射圖

通過這張圖可以算出宇宙中可見物質的總質量佔宇宙總質量的15%其餘的85%是我們不知道的,由此就更加確定暗物質的存在。

暗物質的探索

宏觀上猜想

天文學家對於這種物質做出了很多猜想,早期從宏觀角度來進行猜想,這種物質可能是密度很高的暗星,比如黑洞、黑矮星、中子星、褐矮星等。

暗星模擬圖

這些不發光的暗星我們沒有辦法直接用天文望遠鏡直接進行觀測,那有什麼辦法證明他們的存在呢。

早在1936年由愛因斯坦提出了引力透鏡效應,當緻密物質產生強大引力會彎曲時空,造成光線並非直線傳播。

引力透鏡效應

當暗星通過時,恆星亮度會增加,通過後再減小,因此,利用這種方法找到亮度先變強最後減弱的恆星就能找到暗星。

暗星通過之前
暗星通過之時

天文學家班內特和他的同事利用一臺超靈敏望遠鏡攝像機瞄準一個區域,並且把這個區域分成82小區,對千億顆恆星進行了不間斷地觀測。

觀測分區圖

經過三年的觀察,確實發現了暗星的存在,有一顆恆星亮度突然增強,然後再減弱,這個發現給了他們極大的信心。然而現實是殘酷的,七年之後班內特和他的同事只發現了13顆暗星,這對於暗物質提供強大引力,13顆暗星遠遠不夠就這樣暗星是暗物質的研究就此結束。

微觀上猜想

我們所知道物質其基本構成由質子、電子、夸克、中子,膠子等隨機組合形成的,

微觀粒子圖

粒子物理學家利用25種標準粒子隨意組合可以形成我們已知的任何物質,例如:一個上夸克和一個下夸克,由膠子連接形成一個質子,質子和電子被光子束縛,形成一個氫原子。

25種標準粒子和氫原子

在列表中首先去除能形成氫的粒子,上下夸克、電子、光子和膠子,接下來排出不穩定易消失的粒子,最後就剩下三種中微子。

三種中微子

眾所周知,宇宙中含有大量的中微子,其數量是原子的幾億倍,只要中微子稍微有點質量就可以產生巨大的引力。並且中微子能夠隨意穿越物質,遍布都是,因此看似是最合適的候選粒子。

在日本超級神岡探測器成功測量出中微子的精確質量,然而結果顯示其中最重的中微子也不具備假設質量的百分之一,因此中微子是候選粒子也被排除在外。

中微子計算結果

人類的想像是無止境的,暗物質可不可以是我們現在沒有發現的其他粒子,是不存在與25種標準粒子之中的。基於這種想法粒子物理學家利用計算機模型,模擬出宇宙大爆炸之初,如果當時只存在我們所知的普通物質,那麼普通物質是不可能聚合在一塊形成星雲並且誕生恆星的,也不會形成網狀的星雲格局。

宇宙中網狀星雲

我們可以大膽推想,宇宙大爆炸之初,暗物質是氫的幾百倍到幾千倍的塊狀物,在其引力作用下星雲才能聚合到一塊,有了這個想法便提出了新理論,超對稱理論。

超對稱理論就像你照鏡子一樣,你和鏡子裡面的自己,因此粒子也被稱為超對稱粒子,很顯然超對稱粒子成了新的候選粒子。

1.在歐洲原子中心有世界上最大的強子對撞機,對質子進行實驗,模擬宇宙大爆炸之初,利用能量守恆來監測損失了但是又不能被觀測到的物質,從而找到暗物質。

剖面圖
能量守恆中沒有被觀測到可能就是暗物質

然而進行了一萬億次實驗並沒有得到想要的數據。

2.還有一種方法就是把暗物質轉化成可監測的脈衝光,超對稱粒子的質量與氙的質量相似是氫的130倍,兩種相似質量粒子相撞更容易被觀測,利用光敏感探測器就能捕捉到相撞釋放出的光脈衝,雖然現在科學家還沒有找到超對稱粒子,不過相信暗物質的真實身份很快就會被揭開。

超對稱粒子光敏探測器

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