關於暗物質的十一大未解之謎

2020-11-26 騰訊網

暗物質網

1930年代，一位名叫弗裡茨·茲威基（Fritz Zwicky）的瑞士天文學家注意到，遙遠星團中的星系相互繞行的速度比按其可見質量應有的速度要快得多。於是他提出一種看不見的物質，他稱之為暗物質，可能用引力拖曳了這些星系。

那之後，研究人員證實了這種神秘物質在整個宇宙中都有，而且其質量是構成恆星和人等普通事物的一般物質的六倍。 儘管整個宇宙中都充滿了暗物質，但科學家們仍有許多不清楚之處。這是有關暗物質的十一大未解之謎。

什麼是暗物質？

(圖片來源: 網絡)

首先，也許是最令人困惑的是，研究人員也不清楚暗物質到底是什麼。起初，一些科學家推測宇宙中消失的物質是由又小又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能夠具備暗物質的影響。美國能源部費米實驗室的物理學家唐·林肯（Don Lincoln）之前為生命科學網（Live Science）的撰稿就表達了這樣的觀點。根據林肯的介紹，目前對暗物質模型最有競爭力的說法是一種假設的粒子，稱為大質量弱相互作用粒子，簡稱WIMP，其行為類似於中子，但質量是質子10至100倍。然而，這種猜想只會引發更多問題，例如……

我們可以檢測到暗物質嗎？

(圖片來源: 新華社/Getty)

如果WIMP產生了暗物質，那麼暗物質應該在我們周圍，只是不可見且幾乎不可檢測。那為什麼我們還沒有找到呢？儘管它們不怎麼會與普通物質發生反應，但暗物質粒子在穿過太空時總有少許機會撞擊質子或電子等普通粒子。因此，研究人員進行了一個又一個的實驗，研究地下深處的大量普通粒子，這些粒子不受模仿暗物質-粒子碰撞的幹擾輻射。問題是什麼呢？經過數十年的探索，這些探測器中沒有一個取得了可信的發現。今年早些時候，中國的PandaX實驗報告了最新的WIMP結果：未檢測到暗物質。加州大學河濱分校的物理學家於海波（Hai-Bo Yu）對生命科學網表示，似乎暗物質的粒子比WIMP小得多，或者它們的特徵很難研究。

暗物質包含多種粒子嗎？

(圖片來源: Maria Starovoytova/網絡)

普通物質由質子和電子等普通粒子，以及一些中微子，介子和介子等特殊粒子組成。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·卡茲（Andrey Katz）對生命科學網的姊妹網太空網(Space.com)表示：「目前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。」卡茲說，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結構一樣多樣且有趣的結構。儘管在物理實驗室中，這樣的看法已經越來越多，但迄今為止，科學家們一直在想辦法確認或否認它們。 [奇怪的夸克和μ子，我的天哪！剖析自然界中最細小的顆粒]

暗力量是否存在？

(圖片來源: 網絡)

除了暗物質的其他顆粒外，暗物質還可能有與常規物質相似的作用力。一些研究人員已經探尋了「暗光子」，它們就像在普通粒子一樣，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。正如生命科學網先前報導的那樣，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）粉碎成鑽石。如果存在暗光子，則電子-正電子對可能會湮滅並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。

暗物質可能由肘子組成嗎？

(圖片來源: Marcel Clemens/網絡)

隨著物理學家越來越不喜歡WIMP，其他暗物質粒子開始受到青睞。主要的替代品之一是一種假設的粒子，稱為軸子，其重量極輕，它的1031倍的質量可能還比不過一個質子。現在有一些尋找軸子的實驗。如生命科學網先前所報導的，計算機模擬出了這樣的可能性，即這些軸子可能形成星形物體，從而可能產生可檢測到的輻射，該輻射與被稱為快速無線電爆發的神秘現象非常相似。

暗物質的本質是什麼？

(圖片來源: NASA)

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湮滅的跡象，並且已經檢測到數十萬次。但科學家仍然不確定這些物質是否來自暗物質，該信號尚未能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？

（(圖片來源: 網絡)）

由於暗物質遠遠超過普通物質，因此通常認為暗物質是組織大型結構（例如星系和銀河星團）的控制力量。不過奇怪的是，今年早些時候，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·范·多姆庫姆（Pieter van Dokkum）當時告訴太空網：「暗物質顯然不是形成星系的必要條件。」然而，一個夏天后，一支獨立的團隊發布了一份分析報告，表明範·多姆庫姆（van Dokkum）的團隊測量了與星系的距離時出了錯，這意味著它的可見物質比最初發現的暗淡得多且輕得多，而且其暗物質的質量也比之前預估的高。

DAMA / LIBRA的結果如何？

(圖片來源: Pigi Cipelli/Getty)

在歐洲，DAMA / LIBRA的實驗結果令人費解，這是粒子物理學中一個長期存在的謎團。這個探測器位於義大利格蘭薩索山下的地下礦井中，一直在尋找暗物質粒子的周期性振蕩。當地球繞太陽運行時，會穿過太陽系的銀河暗物質流（有時稱為暗物質風），這種振蕩就會產生。自1997年以來，DAMA / LIBRA聲稱能精確看到此信號，而其他實驗沒有看到過這樣的信號。

暗物質帶電荷嗎？

(圖片來源: 網絡)

從在時間存在之初就有一個信號，這讓一些物理學家提出，暗物質可能帶有電荷。距大爆炸僅1.8億年後，處於宇宙初期的恆星發出了21釐米波長的輻射。然後，它被同時存在的冷氫吸收。當檢測到這種輻射時，其特徵表明這種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·穆尼茲（JulianMu oz）推測，帶電荷的暗物質可能從無處不在的氫中吸收熱量，就像漂浮在檸檬汁中的冰塊一樣，正如他當時對生命科學網所說的那樣。但是這一猜想尚未得到證實。

普通粒子會分解成暗物質嗎？

(圖片來源: 網絡)

中子是具有有限壽命的常規物質粒子。經過大約14.5分鐘，從原子中解脫出來的孤中子將衰變成質子，電子和中微子。但是根據《物理評論快報》（Julynal Physical Review Letters）的一項實驗報告，兩種不同的實驗為這種衰變提供了略微不同的壽命，它們之間的差異約為9秒。今年早些時候，物理學家認為，如果在1％的時間裡，某些中子衰變成暗物質粒子，則可以解釋這一異常現象。來自新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的克里斯多福·莫裡斯（Christopher Morris）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？

(圖片來源: NASA)

考慮到科學家檢測和解釋暗物質所面臨的困難，理性的提問者可能會懷疑他們是否將這一切都弄錯了。多年來，很少有物理學家提出這樣的觀點，即我們的引力理論可能根本就是錯誤的，而且基本力在大範圍上的作用不同於我們的預期。這些想法通常被稱為「修正的牛頓動力學」或MOND模型。它們假定沒有暗物質，而恆星和星系彼此圍繞和自轉的超快速度是引力以驚人方式表現的結果。物理學家唐·林肯（Don Lincoln）在給生命科學網的解釋中寫道：「暗物質仍然是未經證實的模型。」然而，反對者們還有很多問題尚未能說明清楚。最新的證據呢？也表明暗物質是真實的。

作者: Adam Mann

FY: Colleen

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