2019-09-11 21:58:02
为什么天文学家相信暗物质

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暗物质本质上是看不见的。我们无法用望远镜观察它,也没有粒子物理学家通过实验检测它。

那么为什么我和成千上万的同事都相信宇宙的大部分质量都是由暗物质组成的,而不是包含恒星,行星和我们天空中所有其他可见物体的传统物质?

要回答这个问题,你需要了解暗物质可以做什么和不能做什么,了解它潜伏在宇宙中的哪个位置,并意识到“黑暗”只是这个难题的开始。

看不见的影响力

我们的暗物质故事始于速度和重力。在整个宇宙中,我们看到物体在重力的影响下在轨道上行进。就像地球围绕太阳运行一样,太阳围绕着我们银河系的中心运行。

将天体保持在轨道所需的速度是质量和距离的函数。例如,在我们的太阳系中,地球以每秒30公里的速度移动,而最遥远的行星以每秒几公里的速度飞行。

我们的星系非常庞大,所以太阳以每秒230公里的速度运行,尽管距离我们的银河系中心有26,700光年。然而,当我们从星系中心进一步移动时,恒星的轨道速度基本保持不变。为什么?

与我们的太阳系不同,它的质量以太阳为主,我们银河系的质量分布在数千光年。随着人们从银河系中心移动到更远的距离,这个半径内的恒星和气体会增加。这个额外的质量可以解释我们银河系中最遥远恒星的巨大速度吗?不完全的。

在20世纪60年代,美国天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)开创性地测量了仙女座星系(银河系旁边的星系)的轨道速度,距离银河系的核心距离为70,000光年。值得注意的是,尽管这个距离远远超出了仙女座恒星和天然气的大部分,但轨道速度仍然接近250km / s。

这种现象也不是个别星系所独有的。早在20世纪30年代,瑞士 - 美国天文学家Fritz Zwicky发现星系内的星系运动速度远远超过预期。

这是怎么回事?一种可能性是大量看不见的质量超出恒星和气体。这是暗物质。

事实上,Zwicky,Rubin及其后几代天文学家的工作表明宇宙中的暗物质比传统物质更多。 (至于暗能量,这是另一个故事。)

值得注意的是,我们无法看到或探测到暗物质,这为它的行为提供了线索。除了重力之外,它必须与自身和常规物质几乎没有相互作用 - 否则我们会检测到它发出光并与其他粒子相互作用。

由于暗物质主要通过重力相互作用,因此它具有一些奇怪的特性。太空中的热气体云会通过发光而失去能量,从而降温。足够大而冷的气体云可以在其自身的重力作用下坍缩形成恒星。

相比之下,暗物质不会通过发光而损失能量。因此,虽然常规物质可能会坍缩成像恒星和行星这样的密集物体,但暗物质仍会更加分散。

这解释了一个明显的矛盾。虽然暗物质可能在宇宙质量中占主导地位,但我们并不认为太阳系中存在太多暗物质。

模拟成功

由于暗物质的运动仅受重力控制,因此在分析和模拟中进行建模也相对容易。

自20世纪70年代以来,我们已经有了暗物质结构数量的公式,这也可以预测大质量星系和星系团的数量。此外,模拟可以通过宇宙历史模拟结构的积累。暗物质范式不仅适合数据,还具有预测能力。

有暗物质的替代品吗?我们使用引力来推断它的存在,但是如果我们对引力的理解是错误的呢?也许重力在远距离比我们想象的更强。

有几种替代引力理论,Mordehai Milgrom的改进牛顿动力学(MoND)是最着名的例子。

我们如何区分暗物质和改变的重力?嗯,在大多数理论中,重力拉向大众。因此,如果没有暗物质,重力会拉向常规物质,而如果暗物质占主导地位,则重力将主要拉向暗物质。

所以应该很容易分辨出哪种理论是正确的,对吧?不完全是,因为暗物质和传统物质大致相互追随。但是有一些有用的例外。

将气体和暗物质混合在一起,并发生一些奇妙的事情。气体碰撞形成单一的云,而暗物质粒子在重力的影响下继续移动。当星系团以极快的速度相互碰撞时,就会发生这种情况。

我们如何测量重力在碰撞星系团中的拉力?嗯,重力不仅在质量上拉动,而且在光线上拉动,因此扭曲的星系图像可以追踪引力。在碰撞的星系团中,重力会拉向暗物质的位置,而不是传统的物质。

涟漪及时

我们可以看到暗物质的影响不仅仅是今天,而是遥远的过去,直到大爆炸。

宇宙微波背景,大爆炸的余辉,可以在各个方向看到。在这个火球中,我们可以看到涟漪,这是声波穿过电离气体的结果。

这些声波来自早期宇宙中的重力,压力和温度的相互作用。暗物质有助于引力,但不像常规物质那样对温度和压力有反应,因此声波的强度取决于传统物质与暗物质的比例。

正如预期的那样,卫星和地面观测站对这些波纹的测量表明,宇宙中的暗物质比传统物质更多。

案件结束了吗?暗物质绝对是答案吗?大多数天文学家都会说暗物质是我们在宇宙中看到的许多现象的最简单和最好的解释。虽然最简单的暗物质模型存在潜在的问题,例如小型卫星星系的数量,但它们是有趣的问题而不是引人注目的缺陷。

但事实仍然是我们尚未直接探测暗物质。这并没有特别困扰我,因为物理学已经有几十年来直接检测的粒子的历史。如果我们在20年后没有发现它,我可能会担心,但是现在我认为暗物质是真正的交易。

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