暗物质笔记

首先要说明,这只是一篇读书报告,其中很多原理技术我自己也是一知半解,不过是觉得这个问题应该会有很多人感兴趣,便恬颜抛砖了。

在数十亿年的演化之后,我们终于能凝视光线的传播,倾听空气的振动,品味分子的味道……以此认识周围的缤纷世界,被感知的一定存在,但存在的却不一定都为人所知,天体也是如此。深邃的夜空中熠熠闪烁的星光便是我们所能获知的全部:颜色可以化为温度,由光谱可以算出速度,监测光变可以知道体积、年龄、距离甚至内部结构;但这些都还不够,当我们发现人眼看到的仍然有限时,又从紫外、红外、厘米波、毫米波、X射线、伽马射线……所有可能的波段收集那些历经千万年漫长旅程到达这里的电磁辐射,就好像找到了一本装满宇宙不同时期照片的影集,发现了无数前所未有的星系以及更多的暗得无法分辨的天体,构成我们身体的元素就来自这些明亮的场所。但是,这些光的源头便是宇宙的全部么?

阿贝尔星系团1689

二十世纪中期,天文学家们逐渐发现星系团成员之间的相对运动并不符合理论上的预言,似乎受到更大的质量的牵引;而星系中物质的旋转速度也不因远离核心而降低——这说明星系外围的光度降低并不意味着质量分布的下降。要用现有理论解释这些观测事实需要十倍于发光物质的质量,这些从未被发现的质量便称为“暗物质”。

我们很早就知道,当恒星耗尽了内部的核燃料之后,若不在爆发中毁灭,便会逐渐冷却,最后沉寂于永恒的黑暗之中。这些死去的星体(中子星、白矮星)通常有着很低的亮度和很大的质量,很自然的成为“暗物质”的第一个候选者,也就是“重子暗物质”(行星、彗星、星际尘埃之类的小天体由于质量太小,很早就被排除)。要找到它们现在只有两种办法,其一是当它们与发光天体相互作用时,从正常天体的反常运动可以推测它的存在,进而算出动力学特征。我们现在所知的黑洞便是这样确认的,不过这种情况通常出现在双星系统中,而且数量很少,无法由此估计暗天体的比例。爱因斯坦环

另一种情况是它刚好位于地球与一个发光天体之间时,强大的引力场使背后的星光发生扭曲——这就产生了引力透镜现象(作为爱因斯坦广义相对论的预言之一,直到1979年才被观测证实)。根据背景星象被扭曲的程度可以推算出透镜天体的引力势,从而得到质量分布。引力透镜现象相当普遍,星系团的巨大质量可以产生壮观的光弧,典型的如Abell 1689(第一张照片即是)、Abell 2218等。我们可以据此反演出星系团内的物质质量分布,考虑到星系团的尺度相当巨大,它的平均密度可以作为宇宙平均密度的一个近似,其中的暗物质比例也可以给出宇宙中暗物质比例的大致量级;而暗星系可以产生爱因斯坦十字或者爱因斯坦环(右侧小图),可以用来估计星系内的暗物质比例;暗星体则会使背景恒星突然增亮(如下图所示),由这类事件出现的概率可以推算出星系内暗天体所占的比例,这第三类以现在的技术手段还只能在银河系的晕中搜寻,因此也被称作大质量致密晕天体(MACHO:MAssive Compact Halo Objects)。但是目前的观测结果表明此类天体的数目偏少,不足以成为暗物质的主要成分。

MACHO

既然我们已知的重子物质都不满足条件,那么暗物质还会以怎样的形式存在呢?粒子物理学家们也给出了他们的解释:如果在星系内,却并没有参与恒星形成,说明与普通重子物质没有强弱相互作用或者相当小;如果是在星系外,却没有遮盖住背后的星光,说明它并不吸收电磁辐射,否则仍会被不断加热而最终发光;中微子的性质倒是与此要求相当吻合,不过由于质量太小,还无法影响引力势分布,于是又有人猜测存在一种尚未被发现的新粒子,称作弱相互作用粒子(WIMP:weakly interacting massive particles)。但是引力的强度远小于其他几种,要在实验室中探测它所需的精度已大大超出了目前的仪器极限。同类方案还包括轴子axion,引力子……但都缺乏明确的实验证据。

另一方面,从大尺度结构(星系、星系团、超团)的演化历程来看,单凭重子物质的作用,不足以使暴涨后物质密度的微弱起伏演变为我们现在所看到的复杂宇宙,如果存在非重子暗物质,演化进程会大大加速,从而与今天的观测相符合。

但是也有很多人无法理解这样一种神秘的存在,认为是基本理论错了。引力理论从未在如此大的尺度上被证实过,也许在星系这样的大尺度上并不适用,他们于是着手修正引力理论,新建立的方案称作修正的牛顿引力理论(MOND:Modified Newtonian Dynamics),能够很好地拟合星系旋转曲线,解释质量随光度的分布,甚至能正确的预言星流的运动。不过这种数学形式上的修正并没有引入任何新物理,对其他现象的解释也差强人意,许多人因此对其持保留态度。

子弹星团

此外在星系(团)并合事件中,由重子物质构成的热气体会在电磁作用的影响下产生很强的相互作用,同时非重子物质只受引力牵引,相互绕转的时期会长得多,事实上,就在2006年8月,美国一个研究小组在子弹星团1E 0657-56中的确发现了热气体与星系团成员之间的明显分离(图中黄白色是可见光波段图像,蓝色是根据引力透镜现象得出的暗物质分布,红色则是X波段拍摄的热气体辐射),这被认为是暗物质存在的最直接证据。更多的细节可以参看奇迹文库。但是,“孤证不立”,它给了我们更明确的研究方向,但并不能排除其他的可能……

不论暗物质是什么,它只有发光物质的十倍质量,而最近观测到的宇宙加速膨胀还需要再从空间找出四倍暗物质所具有的能量才能解释,这就是“暗能量问题”。

探索仍在继续……

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