暗物質由什麼組成?它們分布在哪裡?

2020-12-06 物理科普

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最初接觸到暗物質這個詞時,還不了解它的確切含義,但僅通過名字我們就知道,這類物質一定是不發光的。確實,暗物質不但不參與電磁相互作用,甚至也很少與其它物質發生別的類型的相互作用。

暗物質在宇宙中的質量佔比大概是25%,而我們熟悉的普通物質只有5%左右,剩下的70%是充斥在宇宙間的暗能量,它引起的排斥力加速著整個宇宙的膨脹。

至於暗物質到底是由什麼「材料」組成的,物理學家們現在也說不清楚。但是可以確定,暗物質並不是由普通物質中最常見的質子和中子組成的。這是為什麼呢?答案跟宇宙大爆炸有關。

宇宙中現在到處都是輕核元素,氫、氦、鋰等。天文學家通過實驗觀測,準確地掌握了它們的平均相對豐度。根據大爆炸理論,它們形成於宇宙最初的幾分鐘之內,理論計算輕核元素形成過程所得出的結果與天文觀測是非常吻合的。

但是理論首先假定的是,暗物質不是由質子和中子組成的。如果暗物質真由質子和中子組成,那麼在大尺度空間中,質子和中子就會成為宇宙的主要構成物質。而我們今天觀測到的結果明確表明,暗物質不可能是由質子和中子組成的。

那它們到底是由什麼組成的呢?下面可以給出暗物質組成結構的幾個候選模型。

最開始,從軸子到zino,都曾經被認為是暗物質的候選者,後來比較統一的看法是,比較有希望的一個候選者是中微子。

中微子的名字大家並不陌生,宇宙大爆炸產生出來的中微子在今天的密度大約是每立方米5500萬個。理論計算表明,只要3種中微子中有一種的質量可以達到質子質量的億分之一,它就非常有可能是暗物質。中微子最初人們認為它的靜質量是0,後來在實驗中發現中微子是具有質量的,但是,它的質量很難達到我們期望的標準,僅僅只有期望值的1%。

另外一個比較流行的模型與超對稱粒子相關。這個模型認為暗物質最有可能是光子、Z玻色子和希格斯玻色子的超對稱伴子。這些粒子的質量應該在質子質量的100倍到1000倍之間。這麼大的質量是非常符合我們對暗物質質量的預期的。未來,大型強子對撞機中就有可能發現這些粒子,到時候我們就能進一步從實驗中去判斷他們到底是不是暗物質粒子。

了解了兩個暗物質粒子的模型後,我們特別想知道一件事,暗物質到底在宇宙什麼地方?答案出乎我們所有人的意料。

因為暗物質幾乎不與任何普通物質發生相互作用,因此在暗物質的相關理論中,物理學家計算出這樣的數據,每秒穿過我們身體的暗物質粒子總計有10億多個。當然,它們的性質決定了,我們的身體不會因此而受到任何的影響。暗物質粒子一直在無聲無息中穿過地球,甚至於穿過宇宙中任何地方。經過計算,在1平方米的面積上,每秒會有400萬個暗物質粒子穿過。即便暗物質粒子是如此豐富,但每天在暗物質粒子探測器上留下痕跡的暗物質粒子不會超過一個。

探測暗物質粒子的過程中,中國—義大利暗物質實驗組曾宣布首次成功地直接探測到了暗物質粒子。另外,美國斯坦福的一項低溫暗物質探測計劃也已經採集到了關於暗物質的大量數據。而最近,物理學家正在用玻色—愛因斯坦凝聚體來尋找暗物質粒子。

暗物質粒子身上的神秘面紗一旦被揭開,將是人類有史以來對自然界最偉大的一次解讀,因為我們終於認識了宇宙中分量最重的物質。暗物質無聲無息,無處不在,卻又是最難以捉摸,未來的科學,一定會為我們揭開暗物質之謎!

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  • 暗物質的前世今生,什麼是暗物質?
    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。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。
  • 星系中暗物質如何分布的奧秘,被科學家發現了
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