暗物質存在的可能性分析

2020-09-05 彭曉韜

作者：彭曉韜

日期：2020.06.03

[文章摘要]：暗物質到底是什麼或是由什麼構成的到目前為止仍然沒有統一的意見。但從暗物質的由來可知：暗物質很可能是由不能產生可見光的正常低溫物質構成的。本人在解釋宇宙微波背景輻射時，偶然計算了不同溫度條件下的黑體輻射強度變化數據後發現：低於30K的低溫物質所產生的可見光波段的黑體輻射強度幾乎可以認定為0。因此，我們完全有理由相信：暗物質應該是溫度低於30K的低溫正常物質。

一、暗物質的由來及簡介

1、暗物質的由來

最早提出「暗物質」可能存在的是天文學家卡普坦，他於1922年提出可以通過星體系統的運動間接推斷出星體周圍可能存在的不可見物質。1933年，天體物理學家茲威基利用光譜紅移測量了后髮座星系團中各個星系相對於星系團的運動速度。他發現星系團中星系的速度彌散度太高，僅靠星系團中可見星系的質量產生的引力是無法將其束縛在星系團內的，因此星系團中應該存在大量的暗物質，其質量為可見星系的至少百倍以上。1939年，天文學家巴布科克通過研究仙女座大星雲的光譜研究，顯示星系外圍的區域中星體的旋轉運動速度遠比通過克卜勒定律預期的要大，對應於較大的質光比。這暗示著該星系中可能存在大量的暗物質。1940年奧爾特對星系NGC3115外圍區域星體運動速度的研究，指出其總質光比可達約250。1959年凱恩和沃特研究了彼此吸引的仙女座大星雲和銀河系之間的相對運動，通過相互它們靠近的速度和彼此間的距離，推論出我們人類所處的本星系團中的暗物質比可見物質的質量約大十倍。暗物質存在的一個重要證據來自1970年魯賓和福特對仙女座大星雲中星體旋轉速度的研究。利用高精度的光譜測量技術，他們可以探測到遠離星系核區域的外圍星體繞星系旋轉速度和距離的關係。按照牛頓萬有引力定律，如果星系的質量主要集中在星系核區的可見星體上，星系外圍的星體的速度將隨著距離而減小。但觀測結果表明在相當大的範圍內星系外圍的星體的速度是恆定的。這意味著星系中可能有大量的不可見物質並不僅僅分布在星系核心區，且其質量遠大於發光星體的質量總和。1973年羅伯茲和羅茲（運用21釐米特徵譜線觀測技術探測仙女座大星雲外圍氣體的速度分布，也從另一角度證實了這一結論。1980年代，出現了一大批支持暗物質存在的新觀測數據，包括觀測背景星系團時的引力透鏡效應，星系和星團中熾熱氣體的溫度分布，以及宇宙微波背景輻射的各向異性等。暗物質存在這一理論已逐漸被天文學和宇宙學界廣泛認可。根據已有的觀測數據綜合分析，暗物質的主要成分不應該是目前已知的任何微觀基本粒子。當今的粒子物理學正在通過各種手段努力探索暗物質粒子屬性[摘自百度百科]

2、暗物質可能的存在形式

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目前已知的物質。大量天文學觀測中發現的疑似違反牛頓萬有引力的現象可以在假設暗物質存在的前提下得到很好的解釋。現代天文學通過天體的運動、牛頓萬有引力的現象、引力透鏡效應、宇宙的大尺度結構的形成、微波背景輻射等觀測結果表明暗物質可能大量存在於星系、星團及宇宙中，其質量遠大於宇宙中全部可見天體的質量總和。結合宇宙中微波背景輻射各向異性觀測和標準宇宙學模型可確定宇宙中暗物質佔全部物質總質量的85%、佔宇宙總質能的26.8%。目前一種被廣泛接受的理論認為，組成暗物質的是「弱相互作用有質量粒子」，其質量和相互作用強度在電弱標度附近，在宇宙膨脹過程中通過熱退耦合過程獲得目前觀測到的剩餘豐度。此外，也有假說認為暗物質是由其他類型的粒子組成的，例如軸子，惰性中微子等[摘自百度百科]。

二、暗物質概念提出過程中存在的幾個重要問題

1、可見物質總質量與正常物質總質量並不一定相同的問題

從上述簡介可知：可見物質是指近百年前至今常用的天文觀測方法能看到或觀測到的天體的總質量。一般多以可見光波段的觀測結果為主。因此，可能存在如上表標記為棕色區域的數據所示：低於30K的低溫物質幾乎不產生可見光波段的光，這些正常物質很可能被排除在可見物質總量以外了。也就是說：可見物質的總質量與正常物質的總質量並非相等。

2、計算星系總質量方法的問題

將計算可見物質總質量的方法作為星系總質量很可能存在問題：由於一般天體產生可見的區域多為天體表面積而非體積，如太陽光譜類似6000K左右的黑體輻射譜就說明其光主要由光球層產生，而非整個太陽的物質共同產生。同時，由於光為變化的電磁場，眾多光源同時發光時可能出現相互幹涉作用而使總光度並不等於每個光源所發光的總和。因此，用天體光度來計算天體可見質量，特別是星系的可見總質量是存在巨大潛在風險的。

3、利用光譜紅移測量天體運動速度的可信度有待檢驗的問題

天體紅移量可能由多種因素產生，而將其全部視為都卜勒紅移而推導出來的哈勃定律並不一定符合客觀實際。因此，利用光譜紅移測量天體運動速度的方法可能存在較大偏差，其測量結果並不一定是真實和客觀的。宇宙空間非絕對真空很可能是產生天體紅移的主要因素。由此將導致天體紅移並非由相對運動速度產生，也就不能用哈勃定律計算天體的實際運動速度。

4、星系的質量並不僅僅集中在核心區域的問題

由於星系一般呈碟狀，往往中心區域平均溫度較高，而非中心區域的平均溫度相對較低。因此，一般中心區域的可見質量相對比較集中，而非中心區域的可見質量相對分散。但從以上分析可知，低於30K的低溫物質可能與可見質量的分布恰好相反：中心區域的分布密度相對較低，而非中心區域則相對較高。因此，星系的正常質量分布可能與可見質量完全不同：中心區域的質量可能並不比非中心區域的質量更高，也可能恰好相反：非中心區域的總質量遠高於中心區域！從太陽系邊緣的溫度均在30K以下可知，星系內部的恆星間的廣大區域內存在的低溫物質應該數量巨大。

5、宇宙微波背景輻射峰值強度遠大於太陽同頻率輻射強度的問題

從上表標記黃色區域的數據可知：理論計算的宇宙微波背景輻射峰值頻率對應的輻射強度應該比太陽同頻率的輻射強度小3個數量級以上，即小千倍以上。但實際觀測結果卻是宇宙微波背景輻射峰值強度遠大於太陽同頻率的輻射強度。這就充分說明產生宇宙微波背景輻射的輻射源非點/面源而是體積源。因為普朗克黑體輻射公式是以點/面源為基礎的，就像太陽輻射譜高度近似6000K的黑體輻射一樣，這只是太陽光球層產生的點/面源輻射而已。也就是說，宇宙微波背景輻射強度遠大於同頻率的太陽輻射強度且各向基本同性的觀測結果預示著：宇宙微波背景輻射是由分布於全空域的體積型的輻射源產生的體積型輻射。這也就證明了平均溫度在2.7K左右的、產生宇宙微波背景輻射的低溫物質分布於整個地球可觀測範圍的全空域，包括星系內部和星系與星系之間的廣大空域。這些低溫物質雖然不能產生可見光，但像透明玻璃或空氣一樣，可以折射/透射可見光並使其改變運動方向或降低頻率而產生類似所謂的引力透鏡現象以及天體紅移量與距離成正式地增加。

三、結論

1、暗物質很可能只是溫度較低的正常物質，只是因為它們不產生可見光；

2、目前計算天體或星系可見質量的方法需要得到嚴格的檢驗才能確定其可靠性及準確性；

3、用哈勃定律計算天體運動速度的方法需要得到嚴格的檢驗才能確定其可靠性及準確性；

4、低溫物質分布廣泛且總質量可能遠大於可見物質。這些分布廣泛的低溫不可見正常物質很可能才是導致天體紅移量與距離成正比、所謂引力透鏡等天文現象的根源。同時，也是否定哈勃定律和宇宙大爆炸理論正確性的實據。

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