暗物质是什么?维系星系结构的重要组成部分

科普中国网
2018-09-06

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科普中国网2018-09-06

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一、宇宙需要暗物质

暗物质(Dark matter)是什么?你或许压根儿没听说过,又或许你听说过它,但却不太清楚它到底是什么,那今天就由俺老孙来给大家科普一下暗物质。

大家应该都知道,我们身边的物质(如空气、水、岩石、地球、恒星、星系以及我们人类自己等)都是由原子组成的,而原子又是由质子、中子、电子等粒子组成的,我们暂且把这些物质称为“普通物质”。

但科学家们在分析宇宙的结构时,发现我们能观测到的“普通物质”并不足以令宇宙维持稳定。因此,科学家确信一定有某种东西在维系星系的结构。这种东西,它不发射光,也不反射光,所以称作“暗”。科学家们根据大量的天文观测,通过超级计算机进行海量计算,发现我们所熟知的“普通物质”占整个宇宙不到5%,另外大约25%是暗物质,70%是暗能量。

来自“普通物质”的重力不足使星系形成我们现在所见这样的结构,恒星间会更为松散,这将导致星系无法形成。从这个角度来讲,暗物质对于我们的宇宙是非常必要的。如果没有暗物质,我们现在生活的地球可以存在,但我们所处的银河系或许会解体,跟太阳类似的恒星排布不会像现在这么“紧密”,它们甚至会四处散布。那大家可能会有疑问,如果此时此刻暗物质消失了,我们所处的太阳系还会存在吗?太阳会不会离我们越来越远,导致地球没有足够的光照进而出现生物大灭绝?这个问题大家不用担心,我们的地球围绕太阳公转所需的向心力是由可见的“普通物质”的万有引力提供的。因此没有暗物质,地球围绕太阳的公转也几乎不会发生改变,地球现有的生态环境不会受到影响,你还是可以继续读完这篇文章的。

另一方面,如果暗物质也像“普通物质”一样是由微观粒子构成的,那么每时每刻都应该有大量的暗物质粒子穿过地球。当你在大街上行走时,一呼吸一张嘴,都有可能会“吸入”或“吃到”一些暗物质粒子的,吃到如此神奇的“食物”,不知道大家是什么感觉呢?

二、暗物质的发现史

20世纪初,相对论和量子理论的诞生拨开了物理学上空漂浮的两朵“乌云”(以太漂移和黑体辐射问题)。然而在20世纪末,人们发现,物理学的天空中又漂浮了两朵新的“乌云”,这就是暗物质和暗能量问题。

最早提出“暗物质”可能存在的是天文学家卡普坦,他于1922年提出可以通过星体系统的运动间接推断出星体周围可能存在不可见的物质。

暗物质存在的一个重要证据来自于20世纪70年代。想必很多人都知道,像太阳系一样,银河系中的各种星体也在围绕银河系的中心转动,并且按照牛顿万有引力定律,银河系外围的星体的速度将随着距离增加而减小,就好像我们太阳系中距离太阳最近的水星运动最快,距离最远的海王星最慢。但美国女天文学家鲁宾惊讶的发现,在相当大的范围内星系外围的星体的速度是恒定的!这种情况完全不满足已经被无数次证明的引力定律。这意味着银河系中可能有大量的不可见物质存在,并且其质量远大于我们可见星体的质量总和。

到了20世纪80年代,科学家正式提出了“暗物质”这个名称。也是在这个时期,出现了一大批支持暗物质存在的新观测数据。根据爱因斯坦的广义相对论,大质量天体可以通过引力使时空发生扭曲,这一点已得到实验证明。所以当光线通过大质量天体周围时,本来直线传播的光被引力给“吸弯了”。那么,如果暗物质真的存在,且质量很大的话,那么光线经过星系时会被弯曲得更加厉害,这样造成最终计算出的星系质量远比一般天文学观测方法测量的数值高,由此可以确定暗物质的存在。

三、超级计算机对暗物质的预测

宇宙中大约有百分之九十五的东西由暗物质和暗能量构成,但至今没人清楚知道这些究竟是什么东西。然而一台超级计算机也许知道,利用超级计算机,进行大量计算和理论分析,可以对暗物质的物理本质有更深入和全面的了解。

首先,就像我们身边的“普通物质”都是由原子构成一样,暗物质也应有其基本组成粒子,但对暗物质的探测已是全世界的科学难题,更不用说组成暗物质的基本粒子。但利用一台超级计算机可以描绘出形成暗物质的粒子轮廓,2016年第一次有超级计算机预测出轴子(假设存在的粒子,是宇宙中暗物质的最佳候选者)的重量,约为一个电子的100亿分之一。

其次,利用超级计算机对宇宙从大爆炸开始的形成过程进行模拟,或许可以窥探暗物质的由来。模拟结果显示,宇宙初期聚集在一起的暗物质随着时间的演变可最终形成星系、星团等大型结构。因此,暗物质可能是一个重要的“黏胶”,将整个宇宙结构“粘”到一起。未来需要研究的问题是,暗物质是否充满了整个宇宙。

另外,2017年英国的宇宙学家们利用超级计算机模拟了不同尺寸的星系在暗物质中的形成和演化过程,成功揭示了暗物质与星系的质量、尺寸、旋转速度和亮度间的相关性,其结论与天文学家的观测结果一致。

除了用超级计算机对暗物质的预测和模拟,科学家们还希望能直接探测到暗物质,常用的探测方法有3种:地下实验室直接探测、空间间接探测、对撞机产生暗物质。

例如,2015年12月17日,我国发射了以俺老孙名字命名的“悟空”号暗物质粒子探测卫星(属于空间间接探测方式)。并于2017年11月30日,在国际权威学术期刊《自然》在线发表了探测到的首批成果——一个暗物质可能存在的证据。未来,“悟空”号预计可以在太空继续服役3到5年,采集更多的数据,相信之后可以提供更多暗物质存在的直接证据。

暗物质理论自提出以来,已经成功预测了许多星系尺寸、质量、亮度间的复杂关系,然而迄今为止,宇宙学家仍未能实际观测到暗物质的存在,并且目前我们仍不了解它到底是什么,因此对于暗物质的理论分析和实验探测显得更加重要。

浩瀚宇宙,我们能看到、能探测到的物质只是极小一部分,无论我们人类多么认为自己是万物之王,但其实我们只是宇宙中一些不能再弱小的“尘埃”而已。

因此,让我们去仰望星空,追寻宇宙运转的真理吧!

作者:王建林 橘子科普团队 中科院物理所博士

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