暗物質就一定是看不見的物質嗎?引力透鏡效應能與暗物質有所關聯

2020-12-08 騰訊網

在宇宙中，佔到主要成分的並不是暗物質，而是暗能量。暗物質只佔26.8%，而暗能量佔到了63.8%。除此之外的9.4%，就是我們已知的宏觀世界、少量的電磁波以及反物質。

簡單了解下暗物質

暗物質，從字面意思我們就可以得知，它是一種「看不見」的物質。在天文意義上，暗物質不會吸收、反射或者輻射光，也不會與電磁力發生作用。因此我們無法通過電磁波的形式觀測到它，但是我們可以利用引力，間接觀測到它的存在，並且，我們已經證明出宇宙中確實存在著大量暗物質的這一事實。

暗物質間接被發現的一個經典證據就是星系自轉曲線（Galaxy rotation curves），我們知道螺旋星系（Spiral galaxy）的旋臂，會圍繞其星系中心旋轉，那麼螺旋星系發光部分的質量密度，就會隨著從中心到外圍距離的增大而減小。如果發光部分是該星系所具有的全部物質，那麼我們可以將該星系中心模型化為一個點質量，並測試這些圍繞其中心旋轉的發光物質，這種模型類似於我們的太陽系。根據克卜勒第二定律，我們可以預計其自轉的速度，會隨著物質到中心距離的增加而降低。在我們太陽系中，水星距離太陽系中心的距離最近，因此其速度也就最快；海王星距離遙遠，因此其速度很慢。既然克卜勒第二定律適用於我們的太陽系，那麼按理說它肯定也適用於龐大的星系。然而實際觀測的結果並非如此，星系最邊緣物質的運行速度與靠近其中心的物質差不多一樣快。導致這一結果的原因可能有兩點：要麼是克卜勒第二定律並不適用於星系整體，要麼就是有其它物質在「作怪」。總之，難以直接被探測到的暗物質，它的組成成分還是一個謎團。

從引力透鏡產生的效應，星系團CL0024+17內部被發現存在有一個暗物質圈，在這張哈勃太空望遠鏡像片裡以藍色顯示出來。圖：NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

暗物質在宇宙中的分布

在我們已知的物質中，暗物質可能在宇宙中佔到大約85%。大多數暗物質在自然界中被認為是非重子的，可能是由一些尚未發現的亞原子粒子組成。暗物質遍布宇宙，影響著宇宙的演化。

在宇宙學的標準Lambda-CDM模型中，我們得出了宇宙的總質能裡，包含有5%的普通質能、27%的暗物質和68%的未知能量，也就是暗能量這一結論。而暗能量加上暗物質的總和佔總含量的95%。

（由於暗能量不算作為物質，因此我們可以算出26.8/（4.9+26.8）=0.845）

前面我們提到星系自轉曲線，我們觀測到的大多數螺旋星系都遵循這一規律，因此我們可以確定宇宙中大多數螺旋星系中都存在一定數量的暗物質。

典型的螺旋星系自轉曲線：預測的（A）和觀測的（B）。圖：PhilHibbs

接下來我們要提到的是一種速度離散（Velocity dispersion）現象，也與暗物質相關。約束系統中的恆星，必須遵守維裡定理（Virial theorem）。該定理與測量的速度值的分布相結合，可用於測量約束系統（如橢圓星系或球狀星團）中的質量分布。但也有一些例子不遵守維裡定理，即對一些橢圓星系的離散速度的估計，與觀測到的質量分布的預測離散速度不匹配。即使假設恆星軌道是複雜分布的，它們之間也仍然不匹配。或許也只有暗物質能夠解釋這一點。

星系團（Galaxy clusters）也與暗物質有關聯，星系團對於研究暗物質的特性是特別重要的，因為它們的質量可以用三種獨立的方式來估計。通常，這三種方法合理地認為暗物質與可見物質的比值大約為5比1。

引力透鏡效應（Gravitational lensing）也與暗物質有所關聯。根據廣義相對論的預言，由於時空在大質量天體附近會發生畸變，使得光線經過大質量天體附近時發生彎曲。物體越大，觀察到的引力透鏡效應越強。

基於Kilo-Degree調查的引力透鏡數據分析得出了一張暗物質地圖。圖：ilo-Degree Survey Collaboration/H. Hildebrandt & B. Giblin/ESO

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