宇宙中暗物質的真面目

2021-01-09 獨視角

物理學家與天文學家已經確定宇宙中大部分的物質是「暗物質」,我們可以從它的重力效應來推論它的存在,而非透過電磁作用(我們藉此感知一般物質),但是暗物質可能因為人類的視角而成為謎團。每個人都有五感,五感仰賴電磁作用。舉例來說,視覺是基於我們對某些光的靈敏度,即特定頻率範圍的電磁波;我們可以看到物質,是因為構成這些物質的原子放出或吸收光,而原子內電子和質子所帶的電荷是我們能看到物質的成因。

然而,物質不一定由原子構成。大部分物質可以由完全不同的東西構成,任何能產生重力作用的東西都是物質,例如一般物質能聚集成星系或星系團。

我們沒有理由認為,物質必定由帶電粒子組成,但沒有電磁作用的物質,我們就無法看見。暗物質不帶電荷(或帶微小量),沒人親眼看過暗物質、甚至用靈敏的光學儀器偵測到。但因為暗物質的各種重力效應,我們相信它存在,包含對銀河系恆星的影響和星系團中星系的運動(僅憑一般物質無法解釋星系的旋轉速度之快)、在宇宙微波背景輻射中所留下的印記、對超新星爆發所噴出一般物質的軌跡的影響、對光造成的偏折(稱為重力透鏡),以及在合併的星系團中觀測到可見物質與不可見物質分離。

或許,暗物質最重要的跡象就是我們的存在。儘管我們看不到暗物質,它對宇宙演變與恆星、行星甚至生命的出現,至關重要。這是因為暗物質的總質量是一般物質的五倍,其次是它不會與光直接發生作用。這兩種特性對於結構形成相當重要,例如星系的形成(在我們所知的典型星系壽命、相對較短的時間範圍),尤其是像銀河系大小的星系。沒有暗物質,輻射會阻止星繫結構長期聚集,基本上就是不讓這些結構成形,保持宇宙平滑且均勻。我們太陽系與生命所在的銀河系,能在大霹靂後的那段時期成形,就是因為暗物質的存在。

有些人第一次聽到暗物質,會感到奇怪:不可見物質為何存在?至少在哥白尼革命之後,人類應該承認地球並非宇宙的中心。然而,每當人們在新的情況下得知此事,許多人還是感到困惑或驚訝。可見物質沒有理由是物質唯一的型式。暗物質的存在可能是意料之事,而且與我們所知的一切事物相容。

或許,困惑之一來自暗物質的名稱。暗物質應該稱為透明物質,就像光可穿透透明物體。然而,暗物質的本質一點也不透明,物理學家與天文學家想在更基礎的層面了解它究竟是什麼?它是由一種新的基本粒子構成?或是由一些不可見而緻密的物質(例如黑洞)構成?如果暗物質由粒子構成,會跟物質產生重力之外的任何交互作用?這些粒子會與同樣的粒子產生任何不可見的交互作用?這些粒子是否有不同種類?各種粒子之間是否會產生交互作用?

有人已經想到一些有趣的可能性。然而,最終我們僅能憑藉進一步觀測來引導我們發現暗物質的真面目,這些觀測可能與許多針對暗物質重力效應的精密觀測相符。或者,如果我們相當幸運,而且暗物質與(我們尚未發現的)一般物質會產生相當微弱的非重力交互作用,大型地底探測器、人造衛星或瑞士日內瓦附近的對撞機就可能會偵測到暗物質粒子。即使暗物質不會與一般物質產生交互作用,我們也有機會觀測到暗物質自交互作用的一些現象。舉例來說,如果暗物質和自交互作用影響星系中心的物質排列,星系的內部結構在小尺度下將有所不同。類似於銀河的緻密或其他結構,例如明亮氣體雲與我們仰望夜空所見的恆星,可能顯露一種或多種暗物質粒子之間產生交互作用。又或者,我們可能在實驗室或太空中觀測到稱為軸子的假設性粒子與磁場發生的作用。

對於理論物理學家、觀測人員或實驗物理學家,暗物質是潛力無窮的主題。我們知道它的存在,不清楚它的本質、背後的成因,但現在可能逐漸明朗:暗物質交互作用的觀測數據尚不足以證實有交互作用,至少目前是如此。如果一般物質無法與暗物質產生任何交互作用,我們就難以找到暗物質。但如果暗物質有其他有趣的性質,研究人員就會找到它們,而且在過程中更全面了解這奇妙的謎團。

相關焦點

  • 宇宙中是否真的有暗物質?暗物質必須存在
    的確,暗物質的確是一種神秘的存在,即使是相對於奧妙無窮的宇宙而言,暗物質的神秘色彩仍然是眾多宇宙物質的佼佼者。暗物質之所以如此神秘,就在於其看不到,摸不著,從來也沒有被任何方法觀測到。可以說,暗物質的誕生源於假象,而存在也依賴於假象,那麼,這種假象的事物是否真實存在於宇宙之中呢?是的,它真實存在,它也必須存在。
  • 宇宙中的「暗物質」是什麼東西?
    其實到現在為止我們仍然無法確定暗物質到底是什麼東西!因為我們從來都沒有直接觀測到暗物質,僅僅是通過觀測星系的非常規運動得出的結論!但我們無比確信存在著這樣的物質!最早提出暗物質概念的是天文學家卡普坦,早在1922年他就通過觀測星系異常運動認為星系內部存在看不見的物質在作用著,但早期的研究並未引起太多的重視,隨後不斷有天文學家介入研究,但一直未有令人信服的觀測結果!到了1939年,天文學家巴布科克相當深入的研究了M31(仙女星系)之後得出了比較可靠的結論,其外圍的運動速度遠遠要比克卜勒定律計算的結果要大!
  • 暗物質長的什麼樣?
    這些暗物質球每個重約1011千克,難以被我們目前的儀器所探測,人們只能通過暗物質對物質的引力影響來間接地了解它們。按照目前宇宙學的標準模型推算,宇宙物質中約4%是普通物質,也就是我們所能觀察到的物質;23%左右是暗物質,73%左右是暗能量。這些暗物質和暗能量的真面目是今天的宇宙學中最大的秘密。暗物質球是怎麼產生的呢?
  • 科學家在虛擬宇宙中探測暗物質
    暗物質團塊中的氣體冷卻並向中心凝聚,就形成了星系。隨著時間的推移,暗物質團塊在自身引力的作用下抵抗了宇宙本身的膨脹,形成了暗物質暈。最大的暗物質暈可以包含大型的星系團(上百個星系),研究這些星系就可以推斷出暗物質暈本身的特性。最小的暗物質暈內部很可能沒有星系和恆星,也就難以研究,至今為止仍然是迷。
  • 宇宙中的暗物質找不到,科學家又想出了「熱暗物質」模型!
    在上個世紀,研究星系運動和宇宙微波背景輻射特性的天文學家們認識到,宇宙中大部分物質是不可見的。宇宙中大約84%的物質是「黑暗」物質,既不發光,也不發出任何其他已知的輻射,因此它被稱為暗物質。暗物質的另一個主要特性是,暗物質只通過引力與其他物質相互作用:例如,它不攜帶電磁電荷。
  • 如何探測宇宙中的暗物質呢?
    美國國家標準與技術研究院(NIST)的研究人員及同事提出了一種尋找暗物質的新方法。暗物質是宇宙中的神秘物質,幾十年來一直未被發現。暗物質約佔宇宙的27%,而普通物質,比如構成恆星和行星的物質,僅佔宇宙的5%(一種叫做暗能量的神秘存在,佔了剩餘68%)。
  • 暗物質是什麼,這種宇宙中最神秘的物質構建了宇宙的結構嗎?
    大多數天文學家都接受這樣一個事實:宇宙中不可見的物質遠遠多於我們所能看到的。科學家認為,包括所有行星、恆星和星系在內的可見物質只佔宇宙總質量能量的4%左右,未知物質佔宇宙總質量能量的96%。其中,暗物質佔宇宙的23%,73%是一種加速宇宙膨脹的暗能量。宇宙中的暗物質比構成我們普通世界的原子物質多得多。
  • 宇宙中的暗物質和暗能量是什麼
    首先要搞清楚什麼是暗物質.科學家認為暗物質就是不與現觀察到、發現的物質發生相互作用,但是卻可以觀察引力來判斷他們的存在,就是說暗物質其實是與引力相互作用的,這是為什麼?,牛頓力學不能解釋暗物質的存在。在相對論的框架裡還是離不開物質的質量。不管引力是因為物質之間的相互作用還是時空彎曲,都離不開物質的基礎屬性"質量.根據科學家的預測,暗物質的最大特點就是不與現有觀察到、發現到的物質產生相互作用,眾所周知,我們人類發現或者觀察到的物質都具備質量的特點,難道暗物質沒有質量嗎?沒有質量的物質就是暗物質嗎?根據愛因斯坦的質能方程,暗能量從何而來。
  • 觀點:科學家為什麼能提出暗物質,卻不能觀測到暗物質自身的存在
    宇宙的組成成分難道暗物質就真的不能被觀測到?或者說宇宙本就沒有暗物質,當然也就觀測不到,我們之前的努力都在做無用功?以此類推,宇宙中可能確有暗物質的存在而且還佔據了宇宙絕大多數,質量物質只佔據宇宙成分中的極少一部分。就像水和魚,人和空氣,宇宙裡的暗物質中孕育著質量物質,暗物質則是質量物質存在的唯一介質,物質本身被暗物質孕育包裹,離開暗物質,物質本身就無法被產生,其實暗物質就好比一鍋營養豐富的原始宇宙湯,物質就像魚產生於這鍋原始宇宙湯中,並被宇宙湯孕育。
  • 暗物質是宇宙中最神秘的物質嗎?
    作為膠水的物質是暗物質,然而它非常神秘:因為它沒有發出光,沒有人能直接看到它。沒人知道它是什麼,儘管有很多荒誕的假設。對於我們的星系(和其他大部分星系)保持穩定來說,物理學家認為宇宙中的暗物質比常規物質要多得多。
  • 暗物質是什麼?人類為什麼費盡心思要研究它
    ,所以直到現在人類也沒有真正觀測到它,不識它的真面目。雖然不識他的真面目,但人類已經多次和他打交道,人類存在很多的實驗證據,如星系旋轉曲線與彌散速度分布研究中,大部分星系和星團的物質分布都與觀測到的可見物質的分布不符,可見物質的質量僅佔星系和星團總質量的較小部分。
  • 宇宙暗能量是什麼?暗物質又是什麼?
    科學家表明經過觀測宇宙中存在大量暗能量,特別存在大量非重子取值的暗能量,在廣袤的宇宙中,並不是只有星球等天體的存在。在星球的周圍漆黑一片的是暗物質。暗物質我們看不到,並不代表它不存在,我們科學家根據多方位的觀察和計算,得知暗物質也是有質量的。
  • 趣探索:暗物質是物質宇宙的骨架,沒有暗物質就沒有人類文明
    20世紀30年代初,美國加州理工學院的天體物理學家茨威基第一個提出:宇宙中可見物質遠遠不足以把宇宙連成一片,如果不是存在一種神秘而不可見的物質,星系早就分崩離析。暗物質間接發現源於1970年左右魯賓和福特對銀河系鄰近星系仙女座星系中星體旋轉速度的研究。
  • 暗物質是什麼?宇宙中真實存在嗎?如果人類掌握暗物質會怎樣?
    在1922年的時候有個天體學家卡普坦,他根據觀測宇宙中天體的運動推斷出,在天體之間存在著肉眼不可見的物質,這就是暗物質第一次被提出來,儘管沒有證明確實存在,但是也為後續的研究提供了方向。在隨後的幾十年中,多位天文學家以及天體物理學家都對宇宙是否存在暗物質進行了研究,通過對宇宙中各星系團的研究,並且通過很高精度的光譜測量技術對星系團邊緣星體的運動速度和距離進行測量,發現那些星體的運動速度是恆定的,而通過牛頓的萬有引力定律,那些星體因為遠離星系內核,受星系內核引力的影響,運動速度應該是越來越慢的。
  • 宇宙中暗物質的可能樣子?來自NASA的圖片
    暗物質光環是天空的活躍區域,它不僅充滿了整個太空,而且還散發出輻射的碰撞,這使得有可能幫助科學家在太空中找到暗物質光環。下圖計算機生成的宇宙中暗物質分布的模擬圖,也稱為宇宙網狀圖。科學家們將散布在整個圖像中的小的球形暗物質斑點識別為暗物質光環,它們是在重力作用下形成星系的結構。
  • 暗物質——宇宙的陰影
    時至今日,暗物質引起了廣泛的關注和討論。本人對此也有點思考,現寫出來供大家一閱。希望能對大家有所幫助和啟迪。不勝榮幸!我首先要告訴大家的是暗物質不帶電,原因是其不參與電磁作用。這點大家可能較易接受。但暗物質還有什麼其它的特徵呢?為什麼我們難以找到它?現作如下分析。以人類的獨特視角,凡是能發光或能反光的物體,只要其光線能射入人眼,我們就能看見。
  • 宇宙中部分伽馬射線可能由暗物質產生
    來源:新浪科技宇宙中充滿了爆發性的、隱形的伽馬射線(圖中以紅黃兩色表示)。一項新研究稱,暗物質或許也能產生伽馬射線。新浪科技訊 北京時間2月26日消息,據國外媒體報導,伽馬射線是宇宙中最明亮、能量最高的光線,但人眼看不見它們。
  • 宇宙中最小的星系蘊藏著最多暗物質
    如果你想找到暗物質的話,遵循一條很簡單的規律:跟著質量走。宇宙中那些最大的結構,大型星系、星系組、甚至是超重量級的星系團,都體現了同樣一個問題——它們的內部運動龐大到無法用我們已知物質的引力來解釋。圖片致謝:維基共享資源用戶Stefania.deluca.
  • 暗物質揭示了宇宙的奧秘
    什麼是反物質,暗物質和暗能量,為什麼這三種東西如此神秘?反物質類似於物質,不同之處在於它具有相反的電荷,因此反質子是帶負電荷的質子,與我們自己原子中帶正電荷的質子相反。反電子,有時也稱為正電子,是帶正電的電子,與我們自己原子中的負電子相反。物質和反物質可能會相遇並相互破壞,釋放出大量能量。這是真理的物理核心,是科幻反物質驅動器的基礎。
  • 宇宙中的暗物質可能是由黑洞組成的嗎?
    關於暗物質是什麼有很多爭議,但是一些缺失的物質不能包含在黑洞中嗎?一旦物質進入黑洞,它就不能被看見或測量,所以它是不可解釋的。物質一旦進入黑洞,就變的不可見,但這並不意味著無法測量它的影響。黑洞仍因其質量而產生重力影響,就像宇宙中所有其他的大質量物體一樣。由此實際上我們可以發現並測量黑洞的質量,通過觀察周圍物質對它的影響。例如位於銀河系中心的超大質量的黑洞有強引力使得離他軌道很近的恆星高速運行。依據這個事實以及描述恆星軌道的等式,我們可以估算出黑洞的質量。我們知道暗物質存在在星系中因為遠離宇宙中心的旋轉曲線是平的。