神秘：關於「暗物質」的11個最大的未解決問題

2020-08-19 奇獵世界

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暗物質網

在1930年代，一位名叫Fritz Zwicky的瑞士天文學家注意到，一個遙遠星團中的星系彼此繞行的速度比給定的可見質量要快得多。他提出了一種看不見的物質，他稱之為暗物質，他可能會在重力作用下拖曳這些星系。

從那以後，研究人員已經證實，這種神秘的物質可以在整個宇宙中找到，而且其含量是構成恆星和普通物質的六倍。儘管在整個宇宙中都看到了暗物質，但科學家們仍然在撓頭。這是有關暗物質的11個最大的未解決問題：

什麼是暗物質？

首先，最令人困惑的是，研究人員仍然不確定暗物質到底是什麼。最初，一些科學家推測，宇宙中缺失的質量是由小的微弱的恆星和黑洞組成的，儘管詳細的觀察並沒有發現足夠多的此類物體來說明暗物質的影響。目前，暗物質的主要假設是一個粒子，稱為弱相互作用質量粒子（WIMP），其行為類似於中子，但重達質子10至100倍。然而，這種猜想只會引發更多問題……

我們可以檢測到暗物質嗎？

如果WIMP產生了暗物質，則它們應該在我們周圍，不可見且幾乎不可檢測。那為什麼我們還沒有找到呢？儘管它們不會與普通物質發生很大的相互作用，但總有一些很小的可能性，即暗物質粒子在穿越太空時會撞擊質子或電子等正常粒子。因此，研究人員進行了一個又一個的實驗，以研究地下深處的大量普通粒子，這些粒子被屏蔽了可以模仿暗物質粒子碰撞的幹擾輻射。問題是，經過數十年的搜索，這些探測器中沒有一個取得了可信的發現。今年中國的PandaX實驗報告了最新的WIMP未檢測到。暗物質粒子似乎比WIMP小得多。

暗物質包含多個粒子嗎？

普通物質由質子和電子等日常粒子，以及由中微子、中子和介子等更奇特的粒子組成的。因此，一些研究人員想知道，構成宇宙物質85％的暗物質是否也可能同樣複雜。哈佛大學物理學家安德烈表示：「沒有充分的理由認為宇宙中的所有暗物質都是由一種粒子構成的。」 暗質子可以與暗電子結合形成暗原子，產生與在可見世界中發現的一樣多樣和有趣的構型。儘管在物理實驗室中已經越來越多地想到了這樣的建議，但迄今為止，科學家們還想出了一種方法來確認或否認它們。奇怪的夸克，天哪！剖析了自然界中最細小的顆粒。

是否存在黑暗力量？

除了暗物質的其他顆粒外，暗物質還可能經歷類似於常規物質所感受到的力。一些研究人員已經搜索了「暗光子」，就像在普通粒子之間交換的光子會產生電磁力，只是只有暗物質粒子才能感覺到它們。義大利的物理學家正在加緊準備將一束電子及其反粒子（稱為正電子）粉碎。如果 確實存在暗光子，則電子-正電子對可能會產生一種奇怪的載力粒子，從而有可能打開宇宙的全新領域。

暗物質可以用斧子製成嗎？

隨著物理學家越來越不認可WIMP，其他暗物質粒子也開始受到青睞。領先的替代品之一是一種假設的粒子，稱為軸子，其重量極輕，升至第31次冪的質量可能僅比質子輕，只有10個。現在正在一些實驗中尋找軸力。最近的計算機模擬提出了這樣的可能性，即這些軸可能形成星形物體，並可能產生可檢測到的輻射，這與被稱為快速無線電爆發的神秘現象非常相似。

暗物質的性質是什麼？

天文學家通過與普通物質的引力相互作用發現了暗物質，這表明這是使其在宇宙中存在的主要途徑。但是，當試圖了解暗物質的真實本質時，研究人員幾乎沒有什麼可做的。根據一些理論，暗物質粒子應該是它們自己的反粒子，這意味著兩個暗物質粒子在遇到時會相互殲滅。自2011年以來，國際空間站上的Alpha電磁光譜儀（AMS）實驗一直在尋找這種殲滅的明顯跡象，並且已經檢測到數十萬個事件。科學家仍然不確定這些物質是否來自暗物質，並且該信號尚未幫助他們準確確定什麼是暗物質。

每個星系中都存在暗物質嗎？

由於暗物質比普通物質大得多，因此暗物質通常被認為是組織大型結構（例如星系和銀河星團）的控制力。奇怪的是，今年天文學家宣布他們發現了一個名為NGC 1052-DF2的星系，該星系似乎幾乎不含任何暗物質。耶魯大學的彼得表示： 「暗物質顯然不是形成星系的必要條件。」 但是，一個單獨的小組發布了一份分析報告，表明多姆庫姆的小組錯誤地測量了與星系的距離，這意味著它的可見物質比最初的發現暗淡得多，並且其質量比暗物質多得多。

DAMA / LIBRA結果如何？

歐洲實驗DAMA / LIBRA的令人困惑的結果是粒子物理學中一個長期存在的謎團。該探測器位於義大利格蘭薩索山下的地下礦井中，一直在尋找暗物質顆粒的周期性振蕩。當地球繞太陽運行時，繞過我們太陽系周圍的銀河暗物質流（有時稱為暗物質風）時，就會產生這種振蕩。自1997年以來，DAMA / LIBRA聲稱可以精確看到此信號。

暗物質可以帶電荷嗎？

一開始就發出信號，導致一些物理學家提出暗物質可能帶有電荷。距大爆炸僅1.8億年後，處於嬰兒期的恆星發出了波長為21釐米的輻射。然後，它被同時存在的冷氫吸收。當今年2月檢測到這種輻射時，其特徵表明氫比科學家預想的要冷得多。哈佛大學的天體物理學家朱利安假設，帶電荷的暗物質可能從無處不在的氫中吸收熱量，就像漂浮在檸檬水中的冰塊一樣，但是這一猜想尚未得到證實。

普通粒子會分解成暗物質嗎？

中子是具有有限壽命的規則物質粒子。大約14.5分鐘後，從原子中解脫出來的中子將衰變成質子，電子和中微子。但是，根據研究中引用的實驗，兩種不同的實驗裝置對於這種衰變的壽命略有不同，兩者之間的差異約為9秒。今年早些時候，物理學家認為，如果有1％的時間，某些中子正在轉變成暗物質粒子，則可以解釋這一異常現象。新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的克里斯多福和他的團隊監測中子的信號可能是暗物質，但無法檢測到任何東西。這項研究表明，他們認為其他衰減情況仍然可能存在。

暗物質真的存在嗎？

科學家試圖檢測和解釋暗物質，多年以來，我們的引力理論可能根本就是錯誤的，並且基本力在大範圍上的作用不同於我們的預期。這些建議通常被稱為「修正的牛頓動力學」或MOND模型，它們假定沒有暗物質，並且恆星和星系彼此圍繞自轉的超快速度是引力。

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