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暗物质是由什么构成的 为什么这么神秘

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发表于 2015-12-19 00:37:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
天文学家努力了将近80年,企图搞清弥漫于宇宙的神秘暗物质是由什么构成的。通过星系的运动,天文学家想到了利用暗物质来解释为什么宇宙的质量好像比可见恒星和星系拥有的质量大得多。在很大程度上,他们相信暗物质是某种奇异的亚原子粒子,在大爆炸的过程中大批量形成,用任何方法都无法看到,只是由质量而产生引力。暗物质粒子在很大程度上仍然是理论上的观念,因为天文学家从来没有直接探测到一个这样的粒子。

但是,哈勃空间望远镜和位于智利的甚大望远镜进行的新一轮观测,可能发现了一个关键的线索,有望搞清暗物质到底是什么。发表在《皇家天文学会月报》上的一篇新论文提出:“一个叫作阿贝尔3827(Abell3827)的星系团,位于距离地球14亿光年处,其中的暗物质粒子正在对一种重力之外的力做出反应。”
实际上,论文的作者探测到的是不同寻常的暗物质布局。通常,暗物质会在星系周围形成一个巨大的晕轮,银河系的暗物质晕就是把我们维系在一起的因素之一:银河系的旋转非常快,如果没有暗物质产生的额外引力将其维系在一起,银河系就会飞散。但是,对这个星系团中的一个星系来说,暗物质晕的中心点偏离了星系本身的中心点,偏离值大约为5000光年。
就太空而言,这个距离不算远。然而,正如一些理论指出的那样:如果暗物质粒子仅仅受到重力的作用,那么这个偏离值应该是零。


但是,另外一些理论预测说,应该有另外一种力在起作用。至少几十年以来,理论物理学家倾向于把一种叫作弱相互作用大质量粒子的粒子作为对暗物质构成的最佳解释。这种粒子不仅能够对引力做出反应,还能够对另外一种相对较弱的力做出反应,这种力类似于所谓的弱核力(一种能够引起放射性衰变的力)。
这可能是首个实验证据,证明暗物质真的是由弱相互作用大质量粒子构成的。英国杜伦大学天体物理学家理查德·梅西说:“对暗物质团偏离的最佳解释是,它正在跟阿贝尔3827中心的其他暗物质团互相穿插而过。暗物质团之间的摩擦正在迫使梅西观察的这个暗物质团落后于它所在的星系,而这种摩擦是由这个额外的力造成的。”然而,梅西及其同事还不知道这种力是什么。从能否更容易地被看到这个角度来说,这种引力之外的力无法使暗物质变得更加明朗;但是,从对暗物质本质的理解方面来说,这种力使它显得不那么神秘了。


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Abell3827星系团
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哈勃空间望远镜拍摄的这张图片显示了四个正在合并的星系。其中一个星系周围的暗物质光晕好像偏离了中心,这表明暗物质粒子受到了某种看不见的未知力量。
然而,这种可能性也是存在的,正在发生的只不过是普普通通的情况。例如,如果在可见星系的一侧正在大量地形成恒星,这样就可能会产生一个亮斑,使天文学家对星系中心的估计出现偏差。或许,附近星系的引力会使这个可见星系的形状产生扭曲,使得其中心难以确定下来。“找出一个令人信服的替代解释是很难的。”梅西说,“但是,这是一项令人激动的发现,对此我是格外谨慎的,只是给出了低调的见解。”

“通过某种未知的力量,暗物质粒子正在使彼此的速度减缓下来,这种观点对该问题来说确实像是可能性最大的解释。”美国航空航天局喷气推进实验室的暗物质专家杰森·罗德斯说,“但是,我们显然需要更多的证据。”为了获取更多证据,天文学家正在进行研究,对计划中的其他星系进行了新一轮观测。
即使最终发现更多的暗物质偏离现象,也不一定能够确定暗物质粒子的性质。即使这些粒子确实能够感受到引力以外的某种力量,但是仍然难以计算那种力量的强度,因而也难以进一步缩小候选粒子的名单。
世界上最大的粒子加速器是欧洲的大型强子对撞机。在理想的情况下,研究大型强子对撞机的粒子物理学家会在地球上制造出一些暗物质粒子,这样也会较为容易地测定这些粒子的属性。地面以下的几个探测器专门用来捕捉穿越地球的粒子,或许其中的某个探测器将会捕捉到一个可以说明问题的电子信号。


术语简介

暗物质粒子湮灭

在两个暗物质粒子碰撞的过程中,会产生一系列新的粒子。在世界各地和太空中进行的各种实验正在试图探测这一效应。

星系

太空中恒星的巨大集合,就像一座由恒星构成的城市。我们所在的星系被称为银河系,拥有约2000亿颗恒星。

引力透镜

爱因斯坦的广义相对论预言,物质会使得光线的路径发生弯曲。然而,天文学家看到的光线弯曲程度比发光物质所能造成的更大。

中微子

由太阳内部核反应产生的几乎无质量的粒子。暗物质湮灭会产生额外的中微子,探测到它们将是一个重大突破。

标准模型

粒子物理学家可以用它解释绝大多数亚原子世界中的现象。它也包含粒子和光以及力之间如何相互作用的规律。

超对称

超越标准模型的理论,认为每一个普通粒子都有一个超对称伙伴粒子。这些超对称粒子中最轻的可以构成暗物质。


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