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暗能量

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简介编辑本段回目录

(图)暗能量暗能量

宇宙学中,暗能量是某些人的猜想,指一种充溢空间的、具有负压强的能量。按照相对论,这种负压强在长距离类似于一种反引力。这个猜想是解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。当天文学家埃德温·哈勃发现宇宙中的其它星系似乎都在向着距离人们生活的银河系越来越远的方向移动。而且它们移动的越远,运行的速度就越快。但是,天体物理学家此前曾经指出,地心引力会使得宇宙的膨胀速度逐渐减缓。之后在1998年,两个研究小组通过观察Ia型超新星—种罕见的恒星爆炸的现象,能够释放出数量巨大的,持久的光——颠覆了天体物理学家提出的理论。

通过仔细测量来自这些活动的光是怎样向着可见光谱中红色的一端变化的——类似于当火车汽笛声离你越来越远时,声调也会越来越低的“多普勒效应”。“真空”(有科学家认为“真空”不空)空间本身似乎也在作为一种能够将物质分离开来的力量起作用。

暗能量主要有两种模型:宇宙学常数(即一种均匀充满空间的常能量密度)和quintessence(即一个能量密度随时空变化的动力学场)。区分这两种可能需要对宇宙膨胀的高精度测量和对膨胀速度随时间变化更深入的理解。因为宇宙膨胀速度由宇宙学物态方程来描写,所以测量暗物质的物态方程是当今观测宇宙学的最主要问题之一。

起源编辑本段回目录

暗能量暗物质中的暗能量

关于暗能量概念的起源,还得追溯到科学巨匠爱因斯坦他在1915年的相对论中提出一组引力方程式,方程式的结果都预示着宇宙是在做永恒的运动,这个结果与爱因斯坦的宇宙是静止的观点相违背,为了使这个结果能预示宇宙是呈静止状态爱因斯坦又给方程式引入了一个项,这个项称之为的“宇宙常数”。

1997年12月,作为“大红移超新星搜索小组”的成员的哈佛大学天文学家罗伯特·基尔希纳根据超新星的变化显示,宇宙膨胀速度非但没有在自身重力下变慢反而在一种看不见的、无人能解释的、神秘力量的控制、推动下变快,人们只是猜测:所处的这个宇宙可能处于一种人类还不了解、还未认识到的继目前物质的固态、液态、气态、“场态”之后另一种物质状态的物质控制、作用之下,这种物质不同于普通物质的一切属性及其存在和作用机制,这种“物质”因其绝对不同于人们所熟知的普通物质态,故尔科学家为了区分它们暂且将它称之为“暗物质”、将其具备的作用称之为“暗能量”,“暗物质”就成为当今天文学界、宇宙学界和物理学界等等科学界中最大的谜团之一。

暗能量暗能量

后来人们经过哈勃空间望远镜观测发现,事实上宇宙是在不断膨胀着的并且这一观测结果完全与引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相符合,爱因斯坦得知“实际上的宇宙是在膨胀着的”这个消息后非常后悔,因此他认为:“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误!”现在看来,他的结论下得过早。此后那个“宇宙常数”便被人们所遗忘,后来的一次天文探测宇宙可能在加速膨胀,这就预示着宇宙中存在着某种“巨大的东西”,此后这个“宇宙常数”被赋予“暗能量”的含义。当科学家们一再通过各种的观测和计算证实,暗能量在宇宙中的确约占到73%暗物质约占到23%普通物质仅占到4%,这可是一个惊人的数字和消息,这将预示着人们看到的宇宙、认识到的宇宙只占整个宇宙的4%的比例,而占96%(57年诺贝尔奖得主李政道先生甚至还认为是99%以上)的东西竟然是不为我们所知道的。关于暗物质和暗能量的客观存在性1957年诺贝尔奖得主李政道先生在他所著的《物理学的挑战》中已经详细而全面的论证了。

在新世纪之初美国国家研究委员会发布一份题为《建立夸克与宇宙的联系:新世纪11大科学问题》的研究报告,科学家们在报告中认为,暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重,“暗物质”的本质问题和“暗能量”的性质问题在报告所列出的11个大问题中分列为第一、第二位。

美国航天局在轨道中运行的威尔金森微波仪探测卫星收集到的材料也证明超新星在发生同样的变化。这些变化的含义的确令科学家忐忑不安,因为这将预示着爱因斯坦、霍金等理论家可能都错了,影响并决定整个宇宙的力量不是引力和重力等已知作用力,而是以“宇宙常量”形式存在的“暗能量”和“暗物质”。所以有人认为,暗能量在宇宙中更像是一种背景和一种“超导体”,它就像是空气相对于人类或者是大海相对于鱼儿一样,故尔在宇宙物理学上它的确表现得更像一个真空,因此也有人把“暗能量”称之为“真空能”。真空是不是就是“暗能量”?“暗能量”是不是就是“真空能”呢?如果真空真是“暗能量”那么就应该具备一切能量的基本属性和基本特征—力量。可见真空是否具备力的特征和力的属性也就成为“暗能量”成为真空的前提条件。

综上所述可以看出,所有矛盾的焦点都集中在真空是否具备力的属性这个问题上,如果真空一旦被证明具备力的属性,那么“真空力”就成为独立于万有引力电磁力、强力和弱力之后在自然界中普遍存在着的第五种自然作用力即“第五种力”;那么真空就是物理学史上已经被抛弃的“以太”;而“以太”其实就是真空的某一种效应;那么真空也就是那个占整个宇宙96%以上的份额并控制着整个宇宙的神秘能量—“暗能量”,这一切的一切就因为真空有力而变为现实、变为可知的。故尔真空是否具备力的属性也就成为本文的核心中的焦点。

暗能量宇宙中的暗能量

众所周知,物理学其本身就是一门以实验为基础的科学,从伽利略的比萨斜塔实验到迈克耳逊——莫雷实验,在高科技下的各种高能物理粒子实验无不说明实验方法在物理学中占据着非常重要的地位并发挥着重要的作用。每一个新理论的背后都必须有着坚实的实验作为后盾,每一个新实验现象的出现也必将引发一套全新的理论体系,所以实验是寻找并证实真空力的属性的主要方法和途径。

另一方面,不与辐射耦合的暗物质,其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后,已经成团的暗物质就开始吸引普通物质。因此这需要一个初始的涨落,但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质,由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。在开始阐述这一模型的有效性之前,必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动(涨落),为了预言其在不同波长上的引力效应,小扰动谱必须具有特殊的形态。为此,最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说,如果把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和,那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱(其谱指数n=1)。WMAP的观测结果证实了这一预言,其观测到的结果为n=0.99±0.04。

但是如果人们不了解暗物质的性质,就不能说已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质—中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的,暗物质中的绝大部分现在还不清楚。

形成 编辑本段回目录

暗能量暗能量

宇宙暗能量其基本特征是具有负压,在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。在WMAP数据显示,暗能量在宇宙中占总物质的73%。值得注意的是,对于通常的能量(辐射)、重子和冷暗物质,压强都是非负的,所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙

宇宙的运动都是旋涡型的,所以暗能量总是以一种旋涡运动的形式出现。所以,在暗能量的旋转范围内能形成一种旋涡场,我们称之为暗能量旋涡场,简称为旋涡场。用En来表示太阳系的暗能量,用Ep来表示物质绕太阳系中心运动的总动能。当En=Ep时,太阳系旋涡场处于平衡状态,它既不会膨胀也不会收缩。但当En衰退时,太阳系旋涡场就会收缩,太阳系中所有的行星就会向太阳靠近。

要提及暗能量,不得不先提及另外一个和它密切相关的概念—暗物质,之所以将其称之为暗物质而不是物质就是因为它与一般的普通物质有着根本性的区别。普通物质就是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看的见、摸得着的东西,小到原子、大到宇宙星体,近到身边的各种物体远到宇宙深处的各种星系。普通物质总是能与光或者部分波发生相互作用或者在一定的条件下自身就能发光、或者折射光线,从而被人们可以感知、看见、摸到或者借助仪器可以测量得到,但是暗物质恰恰相反,它根本不与光发生作用更不会发光,因为不发光又与光不发生任何作用,所以不会反射、折散或散射光即对各种波和光它们都是百分之百的透明体!所以在天文上用光的手段绝对看不到暗物质,不管是电磁波、无线电还是红外射线、伽马射线、X射线这些统统都毫无用处,故尔不被人们的感知所感觉也不被目前的仪器所观测,故此为了区分普通物质和这种特殊的物质而将这种特殊的物质称之为“暗物质”。

“暗能量”相比较暗物质更是奇特的有过之而不及,因为它只有物质的作用效应而不具备物质的基本特征,所以都称不上物质故尔将其称之为“暗能量”,“暗能量”虽然也不被人们所感觉也不被目前各种仪器所观测,但是人们凭借理性思维可以预测并感知到它的确存在。由于微波背景辐射的细致观测(WMAP的精密数据,SupernovaeIa的数据),呈现以下一些惊人的观测结果和数据:

a)宇宙年龄是137±2亿年
b)哈勃常数是0.71±公里/秒/Mpc
c)宇宙呈现以下结构,宇宙总质量(100%)≌重子+轻子(4.4%)+热暗物质(≤2%)+冷暗物质(≈20%)+暗能量(73%),而总密度Ω0=1.02±0.02,亦即恰好差不多等同于平直空间所要求的临界密度。(这个公式的意思是,在整个宇宙中我们目前所看到的星系只占整个宇宙的约4%左右,其余约96%的物质都是我们看不见、不了解的东西。)
d)“暗能量”将呈现一些前所未有的一些全新的性质:物质的状态方程由P=Wρn所表示,(其中P是压力,ρ是密度,W是某一常数,n是某一数值),普通物质W≥0,P≥0,ρ≥0,这就意味着物质所产生的压力表现为正数、正值。

发现过程 编辑本段回目录

暗能量暗能量

暗能量的发现过程极富戏剧性。按照宇宙大爆炸理论,在大爆炸发生之后,随着时间的推移,宇宙的膨胀速度将因为物质之间的引力作用而逐渐减慢,就像缓慢踩了刹车的汽车一样。也就是说,距离地球相对遥远的星系,其膨胀速度应该比那些近的星系慢一些。

但1998年,美国加州大学伯克利分校(UCBerkeley)物理学教授、劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)高级科学家索尔皮尔姆特(SaulPerlmutter),以及澳大利亚国立大学布赖恩施密特(BrianSchmidt)分别领导的两个小组,通过观测发现,那些遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。 换句话说,宇宙是在加速膨胀,仿佛一辆不断踩油门的汽车,而不是像此前科学家所预测的那样处于减速膨胀状态。

这样一个完全出乎意料的观测结果,从根本上动摇了对宇宙的传统理解。那么到底是什么样的力量,在促使所有的星系或者其他物质加速远离呢? 科学家们将这种与引力相反的斥力来源,称为“暗能量”。但“暗能量”到底意味着什么?至今我们能够给出的,只是一个十分粗略的宇宙结构“金字塔图景”: 所熟悉的世界,即由普通的原子构成的一草一木、山河星月,仅占整个宇宙的4%,相当于金字塔顶的那一块。

下面的22%,则为暗物质。这种物质由仍然未知的粒子构成,它们不参与电磁作用,无法用肉眼看到。但其和普通物质一样,参与引力作用,因此仍可能探测到。 作为塔基的74%,则由最为神秘的暗能量构成。它无处不在,无时不在,由于我们对其性质知之甚少,所以科学家还不清楚如何在实验室中验证其存在。惟一的手段,仍然是通过天文观测这种间接手段来了解其奥秘。

对Ia类型超新星(supernova)的爆发进行观测,则是目前最主要观测手段。这种超新星是由双星系统中的白矮星(whitedwarf)爆炸形成的,亮度几乎恒定。这样,通过测量其亮度,就可以知道其和地球之间的距离,进而了解其速度。

借助哈勃这样灵敏的天文仪器的帮助,我们至少可以观测到90亿光年之外,即了解宇宙在90亿年前的信息。霍普金斯大学教授阿德姆瑞斯展示的最新“暗能量”场景如下:

 在大爆炸后的初期,宇宙经历了一个急速膨胀阶段。此后,由于暗物质以及物质之间的距离非常接近,在引力作用下,宇宙的膨胀速度开始减速。

然而,至少在90亿年前,宇宙中另外一种力量——表现为排斥力量的暗能量已经出现,并且开始逐步抵消引力作用。

随着宇宙的膨胀,不断增长的暗能量终于在大约50亿至60亿年前超越引力。此后,宇宙从减速膨胀,转变为加速膨胀状态,并且一直持续至今。 [1]

暗能模型 编辑本段回目录

暗能量暗能量

中国科学技术大学物理学教授李淼曾经半开玩笑地表示:“有多少暗能量专家,就有多少暗能量模型。”也许这种说法不无夸张之处,但暗能量在理论方面的混沌状况,从中也可见一斑。

其中,最具戏剧性的理论,则是复活爱因斯坦当年提出的“宇宙常数”(cosmologicalconstant)。1917年,被认为是整个20世纪最伟大的科学家阿尔伯特爱因斯坦(AlbertEinstein),为了建立一个稳态宇宙模型,最早提出了这个概念。不过,后来就连他本人也承认,“宇宙常数”只是一个错误的概念。

但暗能量的存在,则为宇宙常数提供了新的可能性。如果暗能量就是这个宇宙常数的话,那么它的力量强弱将只和宇宙的大小有关。随着宇宙的膨胀,其体积逐渐增大,因而暗能量也将逐渐增大。最终,它会达到一个临界点,使得宇宙从减速状态变成加速状态,并且一直加速下去。

中国科学院高能物理所研究员张新民在《财经》指出,迄今为止的观测结果,包括瑞斯最新的结果在内,与爱因斯坦的宇宙常数理论“都很符合”。

但是,宇宙常数距离成为一种确定性的暗能量理论还差得很远。一些科学家半开玩笑地说,按照这种模型,宇宙将一成不变地加速膨胀下去,未免太“枯燥”(boring)了一些。当然,最为致命的是,按照量子场论计算出来的宇宙常数,比天文观测获得的上限至少也要高出10的120次方倍。

一个最为诡异但不乏科学依据的解释,是“多宇宙论”。观测和理论或许都没有错,事实上,在我们生存的宇宙之外,还存在多到无法计数的其他的宇宙。科学家们可以想像到的宇宙数量不是以万或者亿来计算的,很可能多到10的1000次方个。 每个宇宙都有不同的宇宙常数,而我们恰恰生存在一个宇宙常数很小的宇宙中。仿佛冥冥之中有一个“上帝之手”,把一个适合智慧生命生存的宇宙呈现面前。

但对于这种寄希望多宇宙存在的“人择原理”(anthropicprinciple),在天文学家和物理学家中间都存在很大的争议。更为尖锐的批评,则认为这种解释与其说是一种科学理论,倒不如说更像一种宗教信仰。

为避免这种冲突,科学家们提出个各种暗能量理论,来代替宇宙常数模型。其中比较有代表性的包括精质(quintessence)模型、幽灵(phantom)模型等,张新民和中国科学技术大学物理学教授李淼也分别提出了精灵(quintom)和全息(holographic)模型。

宇宙的未来 编辑本段回目录

暗能量暗能量

如果这些替代的暗能量理论能够成立,它们所指向的将是截然不同的宇宙未来:

根据精质等动力学标量场(scalarfield)模型,宇宙的未来将复杂得多;也许将继续加速膨胀下去,也许会减缓膨胀的速度,甚至走向收缩,导致宇宙最终以与大爆炸相反的“大坍缩”(bigcrunch)收场。

而根据幽灵模型,暗能量将不断增大,导致宇宙以越来越快的加速度膨胀。最终,宇宙将走向“大撕裂”(bigrip)。

精灵模型则给出了一个“振荡的未来”。张新民对《财经》表示,根据他提出的这一理论,整个宇宙将在加速膨胀和减速膨胀之间反复演绎,“大坍缩”和“大撕裂”这两种极端的情况都不会出现。

最大的困难,在于迄今为止,能够研究暗能量的手段仍然十分有限。目前,最主流的仍然是借助超新星的观测。但有些人担心,特别是在宇宙早期,可能超新星的亮度也不是恒定的,它也有自己的演化过程。

即使这种担心可以排除,鉴于这些超新星距离地球非常非常遥远,观测它们的难度,在瑞斯看来就像在两个月球的距离之外观测一个60瓦的灯泡。即使哈勃望远镜具有非常高的敏感度,也存在难以消除的系统误差。

通过对大尺度宇宙结构(比如星系团等)的研究,或许能为暗能量提供新的线索。一旦暗能量存在的话,星系团的形成过程可能要更慢一些,因为引力需要先克服这种斥力。

目前,一个空间探测计划斯隆数字巡天(SDSS)已经完成了第一阶段为期五年的运行,一旦全部完成之后,这一足以覆盖四分之一的天空的精细光学成像设备,无疑将披露更多的细节。

目前中国科学家也正在试图利用北京附近新上马的LAMOST(大天区面积多目标光纤光谱望远镜)来观测超新星,从而探索在中国首次进行暗能量实验研究的可能性。而利用伽马暴(超大质量星体爆发而形成的宇宙高能辐射),也许将为进一步研究更早期的暗能量提供间接手段。

北京师范大学物理学教授朱宗宏在接受《财经》记者采访时指出,目前对于伽马暴天文学的探索还处在初级阶段,有点类似于1998年暗能量刚被发现时的超新星天文学,但其某些性质,从长期来看仍然有可能用来研究暗能量。

那么,是否有可能利用实验室来直接研究暗能量呢?一些人已经宣称,可以利用纳米技术来实现这一目标。瑞斯在接受《财经》采访时表示,一些科学家也希望利用短距离(short-range)的引力实验,发现暗能量的线索。

美国加州理工学院(CIT)的物理学家西恩卡罗尔(SeanCarroll)也对《财经》记者强调,要找到一个更具确定性的模型,不仅需要天文学上的数据,可能更需要来自粒子物理学的证据。尤其是2007年即将在欧洲投入运行的大型强子对撞机(LHC),或许“我们可以期待”。

由于对暗能量的性质、包括与其他物质的反应机理还不清楚,很多科学家认为,短期之内还无法对实验室内的工作寄予太大希望;更为现实的渠道,或许仍来自天文观测。

如果不出意外,普朗克(PLANCK)探测器将于2007年一季度正式升空,它将对天空进行更加精密的探测。在接受《财经》记者采访时,皮尔姆特也表示,由它所在的实验室负责设计的超新星加速探测器(SNAP),按照计划将于2013年或者2014年升空。

“在未来五到十年中,我们对于暗能量的性质或许将有更加清晰的了解。”英国诺丁汉大学物理与天文学院教授克里斯托弗康瑟利斯(ChristopherConselice)对《财经》记者说。

几乎没有人否认,暗能量对于整个宇宙学乃至物理学而言,都不啻是一场革命。1979年诺贝尔物理学奖得主斯蒂芬温伯格(StevenWeinberg)曾明确表示,“如果不解决暗能量这个‘路障’,我们就无法全面理解基础物理学。”著名华裔物理学家、1957年诺贝尔物理学奖得主李政道也断言,暗能量将是21世纪物理学面临的最大挑战。

但是,何时是这个“绝对配得上诺贝尔奖”的问题的终点,目前还是一个巨大的问号。正如卡罗尔在接受《财经》记者采访时所言,“目前还没有任何理论,配得上这一奖赏。”

瑞斯也对《财经》记者强调,理论工作非常困难。在这样一个十分前沿的领域,何时能取得突破,的确难以预测。

在康瑟利斯看来,一旦暗能量得以真正证实,1998年两个超新星观测小组的负责人皮尔姆特、施密特,以及其他从事宇宙背景微波辐射研究工作的,都是比较有可能的候选人。也就在2006年6月,皮尔姆特、施密特和瑞斯三人,因在这个领域的杰出贡献,共同分享了该年度的“邵逸夫天文学奖”。 [2]

研究意义编辑本段回目录

暗能量宇宙中的暗能量

暗能量是什么,它的存在意味着什么?科学家才刚开始尝试回答这些问题。暗能量对宇宙整体的作用泄漏了它的行踪,而人们逐渐意识到,暗能量不仅对整个宇宙有影响,似乎也能操控宇宙的居民,指引恒星、星系和星系团(galaxycluster)的演化进程。虽然以前并没有意识到暗能量对这些结构的影响,但天文学家们几十年来一直在研究它们的演化过程。

讽刺的是,暗能量的无处不在,反而让人们很难意识到它的存在。暗能量与物质不同,它是均匀分布的,不会在某个地方聚集成团。不论是在你家的厨房,还是在星际空间,暗能量的密度都完全一样,约为10-26千克/立方米,相当于几个氢原子的质量。太阳系中所有的暗能量加起来,与一颗小行星的质量差不多,在行星的“舞蹈”中,几乎起不了作用。只有在巨大的空间尺度上和时间跨度上,才能体现出暗能量的影响力。

相关争议编辑本段回目录

通过对遥远星系团发出的X射线进行观测和分析,欧洲航天局科学家最近得出了与暗能量理论不符的结果。不过专家指出,新结果是否意味着人们一直探讨的宇宙暗能量“或许并不存在”,仍需更多的观测研究来证明。

爱因斯坦的广义相对论做出过暗能量的假设。据推测,不可见的暗能量可能占据了宇宙质量的大部分,能够产生与引力相反的排斥力,这也许可以解释为什么宇宙会出现加速膨胀现象。

关于暗能量理论目前仍有争论。一些科学家认为,要验证暗能量是否存在,办法之一是比较各星系团中炽热气体的比例。

星系团由成百上千个星系组合而成,其半径达数百万光年。星系团的特点之一是其中有大量炽热气体,温度在1000万到1亿摄氏度之间。欧洲航天局的XMM牛顿天文望远镜最近捕捉到了古老的遥远星系团发出的X射线。科学家对此进行分析后得出了这些古老星系团中炽热气体所占的比例。他们将这些数据与距地球最近也就是最年轻的星系团中炽热气体所占比例进行了比较,结果发现二者没有差别。

科学家认为,只有假设宇宙中没有暗能量才能解释这一现象。 [3]

暗物质和暗能量之谜 编辑本段回目录

暗物质模型暗物质模型

暗物质和暗能量是世纪谜题
21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在,向全世界年轻的科学家提出了挑战。 暗物质存在于已知的物质之外,人们目前知道它的存在,但不知道它是什么,它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中,暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。

暗能量更是奇怪,以人类已知的核反应为例,反应前后的物质有少量的质量差,这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失,完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。

宇宙之外可能有很多宇宙
围绕暗物质和暗能量,李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”,指出“因为暗能量,我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”,“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。

暗物质是谁最先发现的呢?
1915年,根据他的相对论得出推论:宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为,宇宙是有限封闭的。如果是这样,宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是,迄今可观测到的宇宙的密度,却比这个值小100倍。也就是说,宇宙中的大多数物质“失踪”了,科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。

一些星体演化到一定阶段,温度降得很低,已经不能再输出任何可以观测的电磁信号,不可能被直接观测到,这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。

还有另一类暗物质,它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质,不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。

在重力透镜效应下观测到的暗物质在重力透镜效应下观测到的暗物质

Abell 2390星系团(右上半图)和MS2137.3-2353星系团(右下半图),距离我们约有20亿光年远。图右半方的影像,是哈勃太空望远镜所的假色照片,而相对应的左半方影像,是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中,可以看到数量众多的星系,但在X射线影像里,这些星系的踪影却无处可寻,只见到一团温度有数百万度,而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外,这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量,它们所产生的重力,并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算,这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已!在右方哈伯望远镜的深场影像里,重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量,大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。学家认为,星系团内大部分的物质,是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“ 暗物质”。

1930年初,瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果:在星系团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的。不过,兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据,这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道,根据人造卫星运行的速度和高度,就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离,就可以测出太阳的总质量。同理,根据物体(星体或气团)围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离,就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现,星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是:星系里必有看不见的暗物质。那么,暗物质有多少呢?根据推算,暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。

天文学的观测表明,宇宙中有大量的暗物质,特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计,宇宙的总质量中,重子物质约占2%,也就是说,宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%,98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中,冷暗物质约占70%,热暗物质约占30%。

标准模型给出的62种粒子中,能够稳定地独立存在的粒子只有12种,它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中,电子、正电子、质子、反质子是带电的,不能是暗物质粒子,光子和引力子的静止质量是零,也不能是暗物质粒子。因此,在标准模型给出的62种粒子中,有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。

20世纪80年代初期,天文学家艾伦森发现,距我们30万光年的天龙座矮星系中,许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质,即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的,它们会到处乱窜,只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”,它是一种非常稳定的冷“微子,质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。

轴子模型是否成立,最终得由实验裁决。最近,还有人提出,暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质,它产生于大爆炸后的一秒期间内,直径为1万亿亿亿分之一厘米,质量密度大得惊人,每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立,同样有待科学家进一步研究。

为探索暗物质的秘密,世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作,相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。 [4]

参考资料
[1].  价值中国 暗能量幽灵 2007-01-29   http://www.chinavalue.net/Media/Article.aspx?ArticleId=1892
[2].  价值中国  宇宙的未来 2007-01-29   http://www.chinavalue.net/Media/Article.aspx?ArticleId=1892
[3].  互联网周刊 暗能量之争 2005-06-08   http://www.enet.com.cn/article/2005/0608/A20050608422112.shtml
[4].  资源网 暗物质和暗能量之谜 2008.01.10   http://www.lrn.cn/science/earthexplore/200801/t20080110_187693.htm

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