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尋找影子宇宙 | CosmoScape | 星空天文網(wǎng)
2014年7月8日
“它”構(gòu)成了宇宙中絕大多數(shù)的物質(zhì),但是我們對“它”一無所知。正如馬庫思·喬恩(Marcus Chown)所說,現(xiàn)在暗物質(zhì)的藏身之處可能就在我們的眼皮子底下。
美國天文學家卡爾·薩根(Carl Sagan)曾經(jīng)說過,比起科幻小說他更喜歡真正的科學,因為科學更加神秘莫測。好吧,聽聽這個科學假說:宇宙中存在著和我們的銀河系占據(jù)同樣空間大小的另一個星系,它之所以沒被發(fā)現(xiàn)是因為我們在望遠鏡里是看不見它的,這個星系里甚至還可能有看不見的恒星、行星和看不見的生命。
隱藏的暗物質(zhì)世界是不是可能就在我們的眼皮子底下?
關(guān)于“影子”銀河系的想法可能聽起來瘋狂,但是這是美國物理學家們的一個嚴肅的假設,試圖搞清楚我們宇宙中的看不見的,即“暗”物質(zhì)。“我們認為這一問題很值得探索,因為它既可以解釋一些令人不解的現(xiàn)象又可以通過實驗加以驗證。”馬修·麥卡洛說,他來自波士頓附近的麻省理工大學理論物理中心。
我們一直通過假設暗物質(zhì)的存在來解釋一些令人困惑的天文現(xiàn)象,其中之一是位于螺旋星云邊緣地區(qū)的恒星沿軌道運行過快。就像坐在加速的轉(zhuǎn)椅上的孩子,他們本該飛入星際空間,但卻沒有,天文學家給的解釋是:多虧了那不會發(fā)出可探測光的大量物質(zhì)(暗物質(zhì))產(chǎn)生出的引力控制。
接下來你要讀到的就是第二個要用暗物質(zhì)來解釋的現(xiàn)象——對宇宙背景輻射現(xiàn)象,即宇宙大爆炸火球的“余暉”的觀察表明,物質(zhì)最初在空間里傳播非常均勻,然而,宇宙中也會有相對而言密度較大的地方,這些區(qū)域引力比之周圍區(qū)域更大,能把物質(zhì)更快地拉進去,密度也因此變得愈加大。但是這一過程仍然太慢,在宇宙形成的13.8億年時間內(nèi),不足以成像銀河系那樣大小的星系。為了解釋我們銀河系的存在,我們就很有必要假定有大量的暗物質(zhì)存在,因為有暗物質(zhì)額外的引力可以極大地加快星系形成的進程。
暗物質(zhì)理論
暗物質(zhì)占宇宙質(zhì)能的26.8%,比重超過正常物質(zhì)——形成你、我和其他一切東西的原子(4.9%)——的五倍。問題是:暗物質(zhì)究竟是什么?各種各樣的意見都有,從宇宙大爆炸時留下的電冰箱大小的黑洞到自未來飛回的“時光之箭”,但是最流行的說法是說暗物質(zhì)是由一種迄今尚未發(fā)現(xiàn)的亞原子微粒組成的。
暗物質(zhì)有很多的“候選者”——例如軸子,它可以解決自然的“強大”力量和大質(zhì)量弱相互作用粒子之間的問題。大質(zhì)量弱相互作用粒子是由理論預測出來的,例如其中的超對稱理論就試圖表明一種自然基本粒子——費密子——無非就是另一種粒子玻色子的反面而已。這些粒子是假借已知的亞原子粒子中的“超對稱粒子”為幌子。最輕的穩(wěn)定超對稱粒子——中輕微子,是最流行的暗物質(zhì)“候選者”。
但是仍然有一個問題。在日內(nèi)瓦附近的大型強子對撞機目前為止還沒有通過其高能量碰撞造出中輕微子或任何暗物質(zhì)粒子?!暗?015年,一旦加速裝置重新以更高的碰撞能量運行,就有可能出現(xiàn)這樣的粒子,”麥卡洛說,“但是如果做不到呢?”
這使得一些物理學家考慮我們的暗物質(zhì)模型是否需要稍加改進?!拔覀?nèi)粘I畹氖澜缡菑碗s的,不是由單一的樂高磚粒子構(gòu)成的,而是由眾多的粒子構(gòu)成,”麥卡洛說,“如果暗物質(zhì)也是這樣那怎么辦呢?”
現(xiàn)在是創(chuàng)造新的暗物質(zhì)理論的時候了嗎?(圖:hdwallpapers.in)
麥卡洛一直與哈佛大學的麗薩·藍道爾(Lisa Randall)一起工作,她是《彎曲的旅行:揭開隱藏著的宇宙維度之謎》一書的作者,也是哈佛大學和麻省理工學院的第一位享有終生職位的女理論物理學家。她和同事提出一種物質(zhì)的新形式,可使物質(zhì)在回避正常物質(zhì)時還可以與自身相互作用,因此,我們不知道它就在那兒。
最重要的是,這種能自己相互作用的暗物質(zhì)與傳統(tǒng)暗物質(zhì)表現(xiàn)非常不同。我們相信銀河系是由暗物質(zhì)混合著一點點正常的物質(zhì)組成的巨大旋轉(zhuǎn)球體云所形成的。正常物質(zhì)在重力的作用下開始縮小,由于赤道上有外在的離心力來反抗重力,所以在兩極物質(zhì)縮小速度比在赤道的要快,結(jié)果是形成一片極薄的平整星系盤后分裂成星星。這僅僅只是一種可能,因為正常物質(zhì)可以電磁波或光的形式來散發(fā)熱量——散發(fā)出來的熱量可以防止云體在重力的作用下收縮。然而,關(guān)鍵在于暗物質(zhì)無法發(fā)出光,也就不會失去能量而收縮為一片圓盤,暗物質(zhì)仍然存在于球體云之中。這就導致了現(xiàn)在的情形:我們的銀河系是包裹在暗物質(zhì)球體云中的一塊扁平的旋轉(zhuǎn)恒星星系盤。
但是藍道爾和同事說他們設想的那種暗物質(zhì)可以通過一種類似我們的電磁力的力來與自身相互作用。所以,暗物質(zhì)就可能因發(fā)出暗電磁波,或“暗光”,而失去能量?!半S后,暗物質(zhì)可以像正常物質(zhì)一樣坍塌成為一塊薄薄的圓盤,”她說,“我們稱之為雙盤暗物質(zhì)?!?div style="height:15px;">
藍道爾沒有提及所有的暗物質(zhì)。一個球體云清楚地展示銀河系中恒星按軌道運行的速度,所以暗物質(zhì)中最大的一部分肯定仍然在這里。但是一些暗物質(zhì)——相比可能存在于可見恒星系盤里的大量的暗物質(zhì)而言——是可能存在于扁平星系盤里的。
雙盤的概念或許可以解釋一些反常現(xiàn)象。例如,美國航天局的費米伽馬射線太空望遠鏡發(fā)現(xiàn),有一千三百億伏特能源的伽馬射線從銀河系的中心散發(fā)出來。這可能可以來解釋是否這里存在有一千三百億伏特暗物質(zhì)——這大約是同等質(zhì)量的質(zhì)子的130倍。那些伽馬射線可能是這些暗物質(zhì)粒子和它們的反粒子湮滅后的產(chǎn)物。
美國航天局的費米伽馬射線太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)伽馬射線,可為麗薩·藍道爾的新理論提供證據(jù)支持(圖:美國航天局)
暗物質(zhì)是在圓形“光暈”中分散存在的,其粒子不能產(chǎn)生足夠高的密度以解釋這種伽馬射線的特征。但,“一旦有雙盤,暗物質(zhì)的新成分密度就更大,也就更容易發(fā)現(xiàn)其他粒子并與之一起湮滅?!彼{道爾說。
探知暗物質(zhì)
現(xiàn)在,有很多實驗正嘗試著探知飛越地球的暗物質(zhì)。因為暗物質(zhì)不和正常物質(zhì)相互作用,科學家們使用多種多樣的原子核——從硅原子到氙原子,從氟原子到碘原子——希望某天突然“看見”一次被暗物質(zhì)粒子擊中的核反沖。
盡管太陽是以相對于暗物質(zhì)暈220千米/每小時的速度繞銀河系中心運行,但大部分的實驗都一無所獲?!暗诙€盤是可以隨著可見星系旋轉(zhuǎn)的,如果有一些暗物質(zhì)是在這個盤里,那這就是我們所希望看到的局面了,”麥卡洛說,“暗物質(zhì)圓盤和正常物質(zhì)圓盤之間的相對運動將會為零,所以暗物質(zhì)碰撞上探測器的動作是如此輕以至于難以被發(fā)現(xiàn)?!?div style="height:15px;">
LUX探測器到目前為止還未成功找到暗物質(zhì)粒子(圖:馬特·卡普斯特)
然而,還有一種結(jié)果也可以讓我們擺脫對雙盤的需要。當LUX(大型地下氙氣)實驗在南達科塔的舊金礦井里一無所獲時,CDMS(低溫暗物質(zhì)搜尋)實驗在位于明尼蘇達州的蘇丹礦井里有三處發(fā)現(xiàn),能量都在8到12千電子伏。
這是如何形成的?麥卡洛和藍道爾說在另一個版本的故事里圓的可能被說成方的。想象處于高能狀態(tài)下的一個暗物質(zhì)粒子,在CDMS過程中若它與一個硅核相撞,它便會失去能量,導致核反沖。然而,在LUX實驗里,要用相撞過程中無法控制的能量形成這樣一個反沖明顯不夠。
明尼蘇達州的低溫暗物質(zhì)搜尋計劃(圖:費米實驗室)
批評者可能會說,暗物質(zhì)不能解釋我們看到的現(xiàn)象,藍道爾和她的同事也只是在加上些花里胡哨的裝飾而已。他們可能會說這只是希臘人的回憶錄(希臘人發(fā)現(xiàn)他們的行星按圓形軌道運行的理論與數(shù)據(jù)相悖,就在圓形軌道里再加上圓形軌道,或者說“本輪”,直到它與數(shù)據(jù)相符。)
“我認為這比加本輪的做法更糟糕,”來自以色列雷霍沃特地區(qū)雷茲曼研究所的莫爾德·米爾格龍說,“加入本輪僅僅是為了好玩?!泵谞柛颀埵切拚nD引力理論思想(MOND)的創(chuàng)始人,MOND主張恒星在螺旋星云中的異常軌道運動不是由于大量看不到的暗物質(zhì)所產(chǎn)生的引力,而是由于引力比牛頓曾預言過的更加強大。
藍道爾聳聳肩,表示不介意這些批評。“為了了解暗物質(zhì)是否和普通物質(zhì)一樣有著更豐富的結(jié)構(gòu),我們又前進一步,”她說,“我們正在對其中一些暗物質(zhì)的相互作用做合理假設?!?div style="height:15px;">
麥卡洛承認雙盤暗物質(zhì)的想法不能滿足奧萊姆的剃須刀原理(奧萊姆的剃須刀(Occam’s razor):由14世紀邏輯學家、圣方濟各會修士奧卡姆的威廉(William of Occam)提出的一個原理。在試圖了解某事物時,采用必要的信息是獲得解釋的最快途徑,即“如無必要,勿增實體”),該原理說如果有兩個互相矛盾的理論,最簡單的那個通常是真的?!暗侨绻滴镔|(zhì)確實是那么復雜該怎么辦呢?”他說,“我們無從選擇,只能聽從自然的安排?!?div style="height:15px;">
那么我們?nèi)绾握业姐y河系的第二個星系盤的證據(jù)呢?“它會影響在太陽周圍恒星所受的重力場,”藍道爾說,“仔細觀察他們的移動,可能就會發(fā)現(xiàn)星系盤?!?div style="height:15px;">第二個星系盤可能我們的那么厚那么寬,“但是即使兩者最初沒有對齊,”藍道爾說,“暗物質(zhì)星系盤和正常物質(zhì)星系盤之間的引力牽引也會在很早之前就使他們對齊?!?div style="height:15px;">暗電磁力的存在使得暗物質(zhì)的亞成分也可進入“影子盤”。由于已知力的黑暗等價物,星系盤可能隨后會碎成恒星大小的塊狀物。“在這些塊狀物里暗星是否會燃燒將取決于里面能點燃核反應的暗核力的強弱?!?div style="height:15px;">黑暗中的居民?
暗物質(zhì)構(gòu)成的影子宇宙可能僅僅和我們所見的宇宙一樣復雜?這樣的推測很搞笑,實際上它比我們知道的宇宙復雜得多。可能它不止有四個基本力而是有六個。這是不是能解釋盡管我們已經(jīng)花了大半個世紀尋找外星人足跡卻仍然一無所獲?這是不是正是因為暗物質(zhì)宇宙更加耐人尋味?如果你來自發(fā)達的地外文明,影子宇宙有沒有可能正是你的家鄉(xiāng),因為那里正是行動的源泉?“現(xiàn)在就真是在科幻小說的領(lǐng)域了!”麥卡洛笑道。
馬庫斯·喬恩(Marcus Chown)是前射電天文學家,寫過數(shù)本書,包括《多美好的世界》。本文首刊于《??怂埂?014年2月刊。
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