暗物質的前世今生，什麼是暗物質？

2020-10-16 每日科學前沿



暗物質是一種神秘的不發光物質，構成了宇宙中物質的絕大多數。儘管專家們已經觀察暗物質的引力效應幾十年，但仍然對它的真實性質感到困惑。

誰發現了暗物質?

在19世紀後期，天文學家開始推測一些看不見的物質——暗星或者氣體和塵埃，它們可能散布在整個宇宙中。根據《現代物理學評論》(Reviews of Modern Physics) 2018年的一篇評論，研究人員甚至已經開始估計它的質量了。大多數人認為這種神秘物質只佔宇宙總質量的一小部分。

直到1933年，瑞士裔美國天文學家弗裡茨·茲威基注意到，遙遠的星系彼此繞著對方旋轉，其速度遠遠超過了用望遠鏡觀測到的可見物質所能達到的速度。他在當年發表在《Helvetica Physica Acta》雜誌上的一篇論文中寫道:「如果這一結論得到證實，我們將得到一個令人驚訝的結果，那就是暗物質的存在量遠遠大於發光物質。」

但直到20世紀70年代，天文學家肯特·福特(Kent Ford)和維拉·魯賓(Vera Rubin)對鄰近仙女座星系外部區域的恆星進行了詳細研究，該領域的許多人仍對茲威基的結果持懷疑態度。這些恆星繞著星系核心旋轉的速度太快了，就好像有一些看不見的暗物質在引力的作用下拉著它們，推動它們向前移動——科學家們很快在整個宇宙的星系中發現了這個現象。

研究人員不知道這個看不見的暗物質是由什麼組成的，一些天文學家推測暗物質是由小黑洞或其他緊湊的物體組成的，這些物體發出的光太少，無法在望遠鏡中顯示出來。這個結果在20世紀90年代變得更加奇怪，當時一個叫做威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)的太空望遠鏡顯示，暗物質的重量是普通可見物質的五倍。

為什麼暗物質仍然是個謎

望遠鏡觀測不足以找到足夠多這樣小而緊湊的物體，來解釋為什麼宇宙中可能會存在如此大量的暗物質。大多數現代天文學家認為暗物質很可能由亞原子粒子組成，這些粒子的性質與我們更熟悉的質子和中子截然不同。

暗物質的一個主要成員被稱為弱相互作用大質量粒子(WIMP)。這些推測的實體在粒子物理學的標準模型中是找不到，而標準模型描述了幾乎所有粒子和力。弱相互作用大質量粒子更像幽靈般的中微子，只不過它的重量比一個質子重10到100倍。(中微子的確切質量尚不清楚，但它們比電子輕得多)。

和中微子一樣，弱相互作用大質量粒子只會與宇宙中四種基本力中的兩種相互作用:引力和調節放射性原子核衰變的核弱力。這些暗物質粒子將是電中性的，這意味著它們不會與電磁（光的基礎）相互作用，因此將保持不可見。

物理學家們已經建造了巨大的探測器，並將它們放置在地下深處，以保護它們不受宇宙射線的幹擾來探測大質量弱相互作用粒子，但到目前為止還沒有實驗發現它們存在的證據。近年來，這一失敗讓該領域的一些人開始懷疑，他們是否正朝著沒有真正終點的路上前行。

《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Science)報導，一些科學家因此將注意力轉向了一種名為軸子(axion)的新暗物質候選者，它的質量可能是電子的百萬分之一甚至十億分之一。這些假想粒子對研究人員特別有吸引力，因為它們還能解決物理學中的另一個突出問題，即可能與中子相互作用，以解釋為什麼它們能感受到磁場，而不能感受到電場。

2020年6月，位於義大利格蘭薩索國家實驗室(Gran Sasso National Laboratory)的XENON1T實驗小組宣布，他們發現了一個小但出乎意料的信號，可以用軸子的存在來解釋。這一結果震驚了科學界，但尚未得到其他實驗的證實。

暗物質真的存在嗎?

這意味著研究人員仍在為暗物質究竟是什麼而撓頭。一些理論家懷疑，宇宙中是否存在一個完整的黑暗區域，其中包含多種粒子，甚至只影響暗物質的黑暗力量，類似於可見宇宙中亞原子的複雜性。

與此同時，少數科學家認為暗物質只是海市蜃樓。他們贊同一種被稱為慣性修正版(MOND)的觀點，該觀點推測，在大尺度上，引力的作用與預期不同，這也就解釋了觀測到的恆星和星系的旋轉。但大多數專家並不認為有必要如此徹底地背離目前已知的物理學。

眾所周知，暗物質與暗能量沒有聯繫，暗能量是另一種加速宇宙膨脹的神秘現象。這兩個詞都有「黑暗」這個詞，科學家們經常用這個詞來代替他們不完全了解的事物。

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  • 暗物質的前世今生。洞察宇宙的身世，是人類智慧的驕傲
    」但我想他說這話時，恐怕沒把宇宙間最大一股勢力考慮進去——這就是暗物質和暗能量。今天我們先說說神秘的暗物質。暗物質的前世今生暗物質究竟是什麼呢？暗物質粒子和它的反粒子對一邊形成，另一邊又互相湮滅，達到一種平衡。隨著宇宙的膨脹和冷卻，暗物質粒子的平均熱能下降，最終不足以形成暗物質粒子-反粒子對。然而，暗物質粒子-反粒子對的湮滅將繼續下去，暗物質粒子的數量密度將開始呈指數下降，一直到暗物質粒子的密度降到臨界點以下，湮滅趨近於停止，留下目前我們能觀測到的暗物質密度。
  • 宇宙的幽靈:探索暗物質的前世今生
    宇宙演化中，暗物質扮演重要角色現代科學告訴我們，在漫長宇宙演化的歷史中，暗物質扮演了關鍵的角色。你會說暗物質看上去很重要，但是跟我們的生活有什麼關係？什麼叫爆發？類似於像一顆太陽這樣的恆星，在晚期的時候，由於原子核反應和引力相互作用會發生爆炸，在爆炸的時候，就會合成這些元素。即便能合成這些元素，這些元素產生的時候會產生很大的速度，這些速度很大，足以分離超新星，變成星際的塵埃，如果沒有暗物質。有暗物質存在，暗物質會提供足夠多的引力，把這些粒子吸回來。
  • 暗物質是什麼?究竟有沒有暗物質?
    暗物質是什麼？究竟有沒有暗物質？不知道有沒有小夥伴看過《地質災難》這部電影，暗物質自天外之內，頃刻間穿過地球！造成的一系列毀滅性災難，而且明顯還是弱化了暗物質的實力。那麼暗物質到底是什麼？究竟有沒有暗物質？
  • 暗物質和暗能量可以構成生命體嗎?
    【每日科技網】　　關於暗物質，我們現在了解的還極少極少，甚至說是一無所知也不為過。雖然它佔據了我們宇宙質量的90%以上，但我們卻連它的影子都抓不到。　　關於暗物質，我們目前可以確定的是：一、它一定存在。二、它只會和重力產生作用，不反光、不發光。
  • 「暗物質」概念是如何提出的,暗物質到底是什麼
    暗物質的基本性質可以概括為：參與引力相互作用。火星和其他行星是一樣的。中國發射的暗物質衛星「五孔」正在尋找天文觀測，並試圖通過測量宇宙射線中正電子和負電子的比例來尋找暗物質信號。所謂暗物質的「看不見」並不是簡單地用肉眼在可見光中隱形，而是說不管探測到哪一段電磁波，例如紅外線、紫外線和X射線，現在科學家認為暗物質實際上是某種粒子。科學家們已經正式提出了「暗物質」這個術語，我們對暗物質的探測越來越多地是通過所謂的「引力透鏡」來完成的，而引力透鏡是由大量的質量來彎曲光線所引起的。但它們不涉及電磁相互作用。
  • 什麼是暗物質？
    暗物質是一個神秘的非發光物質宇宙，儘管幾十年來專家們一直在觀察暗物質的引力效應，儘管如此人們仍然對暗物質的真實性質感到非常的困惑。在19世紀末，天文學家開始猜測散布在整個宇宙中的看不見的物質-昏暗的恆星或氣體和塵埃。
  • 暗物質是什麼東西 暗物質撞擊秘密(圖)
    在宇宙學中，暗物質是指那些自身不發射電磁輻射，也不與電磁波相互作用的一種物質。人們目前只能通過引力產生的效應得知宇宙中有大量暗物質的存在。暗物質存在的最早證據來源於對球狀星系旋轉速度的觀測。現代天文學通過引力透鏡、宇宙中大尺度結構形成、微波背景輻射等研究表明：我們目前所認知的部分大概只佔宇宙的4%，暗物質佔了宇宙的23%，還有73%是一種導致宇宙加速膨脹的暗能量。據美國國家地理網站報導，根據幾項暗物質探測項目獲得的數據進行計算的結果顯示，平均大約1分鐘就會有一顆暗物質粒子擊中人體。暗物質不同於常規物質，它們完全不可見。
  • 暗物質衛星上天 揭秘暗物質是什麼?怎麼存在的?
    常進說，「衛星除了尋找暗物質外，還是一個宇宙射線望遠鏡，可以研究宇宙射線的起源、傳播和加速。宇宙射線發現了將近100年，但那麼高能量的宇宙射線究竟來自於什麼？人類到現在也沒有弄清楚，這很奇怪。」常進說，尋找暗物質需要全世界科學家的共同努力，何時能發現暗物質尚難以預計。至於發現暗物質後能如何利用，常進說，量子物理剛發現時，人們認為一點用處都沒有，但是現在什麼都與量子物理有關係。
  • 為什麼相信暗物質一定存在?暗物質是什麼呢?
    我們知道宇宙中的普通物質其實只佔宇宙總物質達不到5%。除了導致宇宙加速膨脹的暗能量外，其餘的佔比將近三分之一都是暗物質。那這些大尺度結構的形成是不是又和暗物質有關呢？沒錯，現代研究表明，宇宙中這些大尺度結構的形成關鍵就依賴於暗物質。因為是科學，所以才要把暗物質引入。為什麼這麼說呢？這就得從暗物質是怎麼一步步被當今科學界所接受說起了。歡迎來到濤濤隨記，精彩分享馬上開始。
  • 暗物質是什麼
    近幾年，科學家不僅觀測到各種各樣的星系，同時也發現，在各個星系中存在著一塊一塊的黑區，裡頭似乎什麼恆星也沒有，不過它們像一個生命體一樣，含有巨大的能量，不斷地膨脹。科學家就猜測，那看不見的那些區域，是不是存在著我們目前所不認識的一種物質存在。科學家就把這些看不見的物質叫做暗物質。 那麼暗物質是什麼呢?在講這個問題之前我們先來看些現象。
  • 宇宙暗能量是什麼？暗物質又是什麼？
    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。暗物質的質量約佔據宇宙總質量的三分之一，並且暗物質還具有能量，我們把這種能量稱為「暗能量」。暗能量也是十分巨大的，約佔據宇宙總能量的三分之二。
  • 什麼是暗能量,暗物質?
    暗能量，暗物質在20世紀90年代早期，有一件事對宇宙的擴張是相當肯定的。它可能具有足夠的能量密度來阻止它的膨脹和重新坍塌，它可能具有如此小的能量密度以至於它永遠不會停止膨脹，但隨著時間的推移，重力肯定會減緩膨脹。當然，沒有觀察到減速，但理論上，宇宙必須放慢速度。宇宙充滿了物質，引力的吸引力將所有物質拉到了一起。
  • 什麼是物質?什麼是暗物質?暗物質的提出有什麼詭異現象?
    但如果把所有看得見又摸得著的物質相加起來，也只佔據了宇宙大約5%的組成部分。相比之下，看不見也摸不著的暗物質，對宇宙來說可能更加重要，它構成了宇宙黑暗而神秘的另一面。　　　　暗物質構成了宇宙中大約1/4的物質，並幫忙塑造出星系宏偉而壯麗的場景。然而，儘管我們費盡心力去尋找它，這位神秘的星系建築師仍然在躲避人類的偵察。幾十年來，我們對暗物質的所有了解都不是通過直接觀察得來的。
  • 什麼是暗物質和暗能量?目前探索暗物質有什麼進展了?
    暗能量假設宇宙是大爆炸產生的。按理說，宇宙這鍋粥被炸開之後，在引力的相互吸引下，應該是膨脹的越來越慢，比如，外圍的星系受到中心地帶大量星系的吸引，應該會慢慢降低遠離的速度。而目前觀察到的宇宙，仍然在加速膨脹，外圍的星系還在加速遠離，這又沒裝發動機，是什麼東西在作祟？得了，找人來背鍋吧，於是就有了暗能量的概念。
  • 暗物質會不會聚集形成天體?比如暗物質星什麼的?
    現在所說的暗物質，是看不見的那部分物質的統稱，當然其中的黑洞白矮星褐矮星什麼的，都是天體，然而這部分比例很小。「不發光的物質」中，佔大部分的非重子物質之間僅有引力相互作用。由這種暗物質構成的「總體」中，只有動能和引力勢能之間的相互轉化（不考慮引力波輻射這些）。三個初始狀態相距一定距離(任意初速度)的質點構成的體系，剛開始會因為引力相互吸引而聚集。
  • 什麼是暗物質?什麼是暗能量?
    什麼是暗能量？未知的遠比已知的多，我們知道暗能量切實存在，因為我們知道暗能量如何影響宇宙的膨脹。除此之外，它完全是個謎。但這是一個重要的謎。事實證明，大約68％的宇宙是暗能量。暗物質約佔27％。其餘的東西-地球上的一切，用我們所有儀器觀測到的一切，所有普通物質-總計不到宇宙的5％。
  • 暗物質什麼性質?會有暗物質攜帶電荷嗎?
    ，研究了一小部分暗物質粒子是否有微小的電荷。麻薩諸塞州劍橋市哈佛大學的朱利安·穆尼奧斯說：你聽說過電動汽車和電子書，但現在我們談論的是電動暗物質，該研究已在《自然》期刊上發表。然而，這種電荷是最小的。穆尼奧斯和他的合作者，麻薩諸塞州劍橋哈佛-史密森天體物理學中心的阿維·洛布，探索這些帶電的暗物質粒子與正常物質通過電磁力相互作用的可能性。
  • 什麼是普通物質、反物質、暗物質和暗能量?
    那麼什麼是反物質、普通物質、暗物質和暗能量呢？以及當今的宇宙中為何不存在反物質？它們去哪了？今天就說下這個問題。什麼是普通物質？我為何要把普通物質放在最前面，首先介紹呢？什麼是暗物質？上文中我們插入目前標準模型物質粒子的圖片，在哪上面有正物質粒子有反物質粒子，但是就是沒有暗物質粒子，這說明啥？意思就是，目前暗物質到底是什麼鬼，我們並不清楚。標準模型中的粒子，並不能解釋暗物質粒子的問題。
  • 什麼是暗物質和暗能量
    我們來聊一聊,如果讓我用一句話來解釋,暗物質貢獻引力,努力把物質拉向一起,暗能量則貢獻壓力,努力讓物質相導憶離,努力讓物質相互遠離,因為兩者都無法直接觀測,所以它們都姓「暗」,好啦今天的視頻就到這裡,目前的觀測表明,宇宙中的常規物質只佔總能量的4.9%,暗物質佔26.8%
  • 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。