暗物質(zhì)是現(xiàn)代天體物理學(xué)最大的奧秘之一，它最近在新聞中經(jīng)常出現(xiàn)。本文將會(huì)為您解釋它是什么以及它為何如此難以找到。
如果我告訴你，你和我熟悉的物質(zhì)形式——這些物質(zhì)構(gòu)成了我們，我們的家園，我們的寵物，我們的地球——但這些物質(zhì)卻只占宇宙重量不到5％，你會(huì)感覺怎么樣？事實(shí)上，另一種神秘的物質(zhì)形式占主導(dǎo)地位，盡管幾十年來科學(xué)家們一直在尋找它，但不僅天體物理學(xué)家從未發(fā)現(xiàn)它，我們甚至都不知道它到底是什么。
你相信我嗎？
暗物質(zhì)是現(xiàn)代天體物理學(xué)中最神秘的事物之一，但你不必一定要接受我說的。這個(gè)難以捉摸的神秘事件不僅是一個(gè)引人入勝的話題，而且對(duì)暗物質(zhì)的探索也是科學(xué)家如何應(yīng)對(duì)尚未解決問題的一個(gè)很好的例子。我們生活在暗物質(zhì)研究的最佳時(shí)期，這些研究似乎能夠起到直接指引的作用
在這一集中，我們將探討我們?nèi)绾沃腊滴镔|(zhì)的存在以及為什么最近它頻繁成為焦點(diǎn)。
暗物質(zhì)的定義
天體物理學(xué)家知道暗物質(zhì)必須無處不在，但我們還不知道它的成分。它不與我們能夠理解的和會(huì)發(fā)出輻射的“正?！蔽镔|(zhì)相互作用，因此望遠(yuǎn)鏡無法觀察到它。 因此我們稱之為“黑暗”。
我們已經(jīng)確定宇宙為26.8％的暗物質(zhì)，4.9％的正常物質(zhì)（組成了你和我的物質(zhì)），68.3％的物質(zhì)稱為暗能量。這種分解是基于從威爾金森微波各向異性探測(cè)器和最近的普朗克望遠(yuǎn)鏡在整個(gè)天空收集的數(shù)據(jù)。
我們是如何知道暗物質(zhì)的存在呢？
盡管我們不確定是什么構(gòu)成暗物質(zhì)，但我們?nèi)匀环浅４_定它的存在。
怎么會(huì)這樣？ 其實(shí)即使我們不能直接檢測(cè)到暗物質(zhì)，但也有很多關(guān)于它存在的間接證據(jù)。
首先，讓我們思考一下?lián)碛虚g接證據(jù)意味著什么。如果你去我家看看，即使你沒有看到她，你也會(huì)懷疑一個(gè)小孩住在那里。因?yàn)槟銜?huì)看到地板上亂扔的玩具和柜臺(tái)上的吸管杯。當(dāng)然，這個(gè)證據(jù)是間接的——也許我喜歡用塑料錘敲打并在出門時(shí)喝酒呢？
然而，如果不用蹣跚學(xué)步就無法解釋的證據(jù)可能是整個(gè)窗戶和電視上的小孩手指的污跡。如果沒有確切的看到一個(gè)孩子，你仍然沒有直接證據(jù)證明她的存在，但這些指紋很難以其他任何方式產(chǎn)生。
在20世紀(jì)70年代，天文學(xué)家維拉魯賓是第一個(gè)進(jìn)行測(cè)量的人，這些測(cè)量提供了暗物質(zhì)存在的間接證據(jù)，同時(shí)她將測(cè)量的數(shù)據(jù)與暗物質(zhì)聯(lián)系起來作為它存在的原因。她觀察跟蹤了螺旋星系內(nèi)恒星運(yùn)行的速度。
正如我們?cè)谇耙患兴懻摰哪菢?，軌道上的物體正在以恰當(dāng)?shù)乃俣纫苿?dòng)。例如，如果月球在它圍繞地球的軌道上以某種方式減速，則地球的引力會(huì)導(dǎo)致月球向內(nèi)傾斜。如果月亮反而要加速，那么與它運(yùn)動(dòng)相關(guān)的力將會(huì)超過地球的引力，使月球會(huì)飛向太空。
相同的力量平衡決定了地球的軌道以及太陽(yáng)的軌道和銀河系中心的其他恒星的軌道。恒星用來保持它能呆在軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的速度取決于重力的強(qiáng)度，這種力量將其拉向其星系的中心，從而決定了該星系的巨大程度。
維拉魯賓追蹤了恒星在螺旋星系邊緣的運(yùn)動(dòng)，并確定每個(gè)星系中必須有多少物質(zhì)才能讓這些恒星在它們的軌道上運(yùn)行。然后，她將在每個(gè)星系中的所有已知的“正常”物質(zhì)（氣體，塵埃和恒星）加起來，發(fā)現(xiàn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。
因此必須存在一種神秘物質(zhì)，這種物質(zhì)不能通過任何類型的發(fā)射來檢測(cè)到，如星光，但可以通過其引力影響間接被觀察到。
為什么暗物質(zhì)總是成為頭條？
自20世紀(jì)70年代以來，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)很多能夠證明暗物質(zhì)存在的其他形式的間接證據(jù)，包括非螺旋星系中恒星的速度，星系團(tuán)中的星系運(yùn)動(dòng)，以及大爆炸余輝的觀測(cè)，他們稱為宇宙微波背景輻射。
但是當(dāng)談到維拉魯賓研究的螺旋星系（像銀河系這樣的星系）時(shí)，天文學(xué)家一直在爭(zhēng)論暗物質(zhì)是集中在銀河系的邊緣還是愛核心。由于我們無法對(duì)自己的星系采取俯視的角度觀察，因此確定是由何種物質(zhì)組成銀河系是非常困難的，就像試圖站在一大群人中去判斷這群人的人數(shù)一樣。
最近天文學(xué)家法比奧·艾科及其合作者發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)新研究詳細(xì)記錄了銀河系內(nèi)部恒星的運(yùn)動(dòng)。
他們發(fā)現(xiàn)銀河系的內(nèi)部聚集了大量的暗物質(zhì)。太陽(yáng)在以銀河系為中心的圓形軌道上旋轉(zhuǎn)，稱為太陽(yáng)圈，這里位于銀河系中心和星系邊緣的中間。艾科發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)甚至還出現(xiàn)在太陽(yáng)圈里。
修正引力的替代理論
成為一名科學(xué)家的重要一點(diǎn)就是盡可能地將自己的觀點(diǎn)與研究分開，并始終盡可能的多角度去看待問題。在對(duì)待暗物質(zhì)這個(gè)問題上，科學(xué)家們想知道不得不發(fā)明一種全新類型的物質(zhì)是否可能過于極端，取而代之的應(yīng)該是是采取不同的方法。
下面就是他們提出的建議：如果引力定律在沒有暗物質(zhì)的情況下不起作用，也許只是我們不像我們以為的那樣理解引力定律。
其中一個(gè)理論是改進(jìn)的牛頓動(dòng)力學(xué)（或MOND）在20世紀(jì)80年代發(fā)表在《我的Milgrom》上。MOND的支持者認(rèn)為，如果我們用小的加速度修改牛頓定律，即像星系邊緣的恒星運(yùn)行軌道一樣小的運(yùn)動(dòng)變化，我們或許可以解開這個(gè)謎團(tuán)。這些微小的變化對(duì)預(yù)測(cè)整個(gè)星系的質(zhì)量沒什么作用，但將變化與觀測(cè)物的數(shù)量相匹配，就不再需要其他未知形式的物質(zhì)。MOND理論的預(yù)測(cè)實(shí)際上很好地再現(xiàn)了某些星系中恒星的運(yùn)動(dòng)。
子彈群
不幸的是，對(duì)于MOND來說，發(fā)現(xiàn)子彈群后，有了一個(gè)非常明顯的支持暗物質(zhì)的證據(jù)。 事實(shí)上，這一證據(jù)非常清楚，以至于一些天文學(xué)家認(rèn)為它是直接證明了暗物質(zhì)的存在，而不是間接的進(jìn)行了證明。
子彈群是兩個(gè)擁有成千上萬個(gè)星系的星系團(tuán)剛剛發(fā)生碰撞的后果。在這些星系中，恒星之間有很大的空間，因此在整個(gè)碰撞過程中，它們可以做到相對(duì)來說毫發(fā)無損地穿過彼此。然而，彌漫在這些密集星系團(tuán)的熱X射線氣體將會(huì)在被擠出星系前被粉碎掉。
該星團(tuán)將進(jìn)一步充當(dāng)所謂的引力透鏡，用于觀察在它后面更遠(yuǎn)的星系。子彈星團(tuán)周圍的空間由于其重力影響而變形，這會(huì)導(dǎo)致更遠(yuǎn)的星系的光線在子彈星團(tuán)周圍彎曲，并被我們的望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到。光線彎曲的程度和位置與子彈群的質(zhì)量和位置有關(guān)。
即使子彈星團(tuán)中的X射線氣體比恒星的質(zhì)量大得多，這種透鏡也會(huì)發(fā)現(xiàn)聚集在一起的大部分物質(zhì)是與星光相伴隨的。因此，除了引力之外，這里還存在著天文學(xué)家一定不會(huì)觀察到的某種形式的物質(zhì)。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學(xué)名詞
3. quickanddirtytips- Y張
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