作者:喻菲 来源:新华社 发布时间:2017/11/30 16:36:11
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科学家如何发现存在暗物质 宇宙幽灵快现形了吗
 
新华社北京11月30日电(记者喻菲)中国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”,用“火眼金睛”帮助科学家寻找披着“隐身衣”的神秘莫测的暗物质。最新一期《自然》杂志发表了“悟空”对宇宙射线高能电子的探测结果,出乎预料的信号是否来自暗物质,还需要时间给出答案。
 
科学家将宇宙比喻成一个由三部分组成的大饼,构成日、月、星辰、生命以及一切人类所认知的普通物质只占宇宙的大约5%,宇宙的95%以上是人类还没弄清楚的暗物质(26.8%)和暗能量(68.3%)。宇宙的绝大部分对人类来说是隐藏和最难了解的。
 
 
科学家将宇宙比喻成一个由三部分组成的大饼。 贺萌绘
 
科学家如何发现宇宙中存在暗物质?
 
每时每刻,都有无数暗物质粒子穿过人体,人体却完全没有感觉,那么科学家怎么知道宇宙中存在暗物质?
 
20世纪30年代,一位脾气古怪、却有着敏锐洞察力的瑞士天体物理学家兹威基发现,后发座星系团有些奇异之处:尽管其中的星系看似以引力作用相互束缚,但从它们很高的运动速度来看,星系团将不可避免地分崩离析。然而后发星系团并未瓦解。兹威基提出,后发星系团中存在大量不可见的神秘物质。然而当时兹威基有关暗物质的推论没有引起注意。
 
 
假如没有暗物质的引力作用,星系将无法形成。 贺萌绘
 
到了20世纪70年代,美国天文学家薇拉·鲁宾对漩涡星系的详细观测发现,距离星系中心很远地方的恒星与靠近星系中心的恒星旋转速度一样快,这意味着的星系中包含了更多的物质,这些没有被直接看到而只是通过引力效应表现出来的物质就是暗物质。
 
此后,科学家对星系、星系团、引力透镜效应、宇宙微波背景辐射等观测获得的一系列天文证据,逐渐让人们认识到暗物质确实是存在的。
 
科学家如何捕捉“宇宙幽灵”?
 
暗物质如此神秘,它们不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用,无法用任何光学或电磁观测设备直接“看”到。那么,科学家怎样探测暗物质?世界范围内大致有三种方法:
 
第一种:直接探测暗物质粒子与普通原子核碰撞所产生的信号。由于这种碰撞概率很小,产生的信号非常微弱,为了屏蔽宇宙射线等干扰,这种实验通常要把探测器放置在很深的地下。目前,各国有不少这样的实验。其中,中国四川锦屏的地下实验室是目前世界上最深的暗物质实验室。
 
 
在太空寻找暗物质的“悟空”。 贺萌绘
 
第二种:用对撞机将两束高能粒子对撞,也就是说在加速器上将暗物质粒子“创造”出来。虽然暗物质粒子不能被直接观察到,但它一定会带走能量,因此从丢失的能量和分布可以推测暗物质的某些性质。欧洲核子中心的大型强子对撞机就在做这种尝试。
 
第三种:寻找暗物质粒子相互碰撞湮灭后产生的“二手”粒子。暗物质粒子碰撞湮灭后会产生人类认识的普通物质粒子,如电子、伽马光子等。如果科学家能够精确测量这些粒子的能谱,可能会发现暗物质留下的蛛丝马迹,间接研究暗物质。
 
国际空间站上2011年放置的诺贝尔奖获得者丁肇中研制的阿尔法磁谱仪2号、2015年放置的日本量能器电子望远镜,以及中国2015年年底发射的暗物质卫星“悟空”等,都属于第三种探测暗物质方法。
 
暗物质卫星首席科学家、中国科学院紫金山天文台副台长常进说,这三种方法互为补充,互相验证。“如果我们在天上找到一种暗物质粒子,把暗物质的质量弄清楚了,加速器实验和地下实验也会更加明确。”
 
宇宙的黑暗之谜
 
虽然科学家们还不知道暗物质究竟由什么构成,但通过观测它如何影响普通物质,并模拟它的引力效应,还是对它有了一些认识:
 
1、由于暗物质不会吸收和辐射电磁波,它是电中性的。
 
2、暗物质密度小,难以捕捉。
 
3、暗物质应该来自于宇宙大爆炸。
 
4、暗物质的引力作用对宇宙结构的形成至关重要,暗物质播下了宇宙丝状结构的种子。
 
5、暗物质的分布可能是不均匀的,会在星系周围形成密度不均的“晕”。星系中心方向的暗物质密度一般较高。
 
6、神秘如斯的暗物质,对生命来说是绝不可少的。假如没有暗物质的引力作用,星系将无法形成。那样的话,现在既没有太阳,也没有地球,更没有你我。
 
7、大多数物理学家认为,暗物质很可能是某些奇异粒子。国际科学界研究最多也最被粒子物理学家看好的暗物质模型是“弱相互作用大质量粒子”。
 
 
中国首颗暗物质粒子探测卫星。 贺萌绘
 
但是,科学家不知道暗物质粒子的质量,不知道暗物质粒子和外界是否存在非引力作用,更不知道它是如何在宇宙极早期形成的。
 
还有的理论家猜测暗物质存在于另一个膜中。根据弦理论,它位于更大的10维宇宙中,也许存在不止一种暗物质粒子。
 
暗物质和暗能量被视为现代物理学和天文学的“两朵乌云”,目前世界各国都在集中人力、物力和财力研究这一问题。揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃,引起物理学的又一次革命。
 
明确这种神秘物质的性质成为现代物理学界最长时间没有找到答案的问题。物理学家已经等待了数十年,通过一系列实验和观测,或许距离破解暗物质这个宇宙谜团只有一步之遥了。
 
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2017/12/7 21:34:38 可变系时空多线矢主人
悟空卫星发现的高能反常电子信号与暗物质根本毫无关系。
(lue)
“悟空”发现了高能的反常电子信号,这些电子在能谱0.9TeV的地方具有拐弯,与尖峰把电子能谱推高到了5TeV,当然也是重要成果。
但是,它只是已经探测了近20亿个,并还在继续探测的重要宇宙粒子,所蕴涵着的许多重要自然科学规律中,有机关联的一个小局部,它的实际原因,也只有具体分析相应各重要宇宙粒子相互作用的重要自然科学规律,才能弄得明白。

本文链接地址:http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1088720.html
2017/12/1 11:08:58 like54
就目前的观察来看“暗物质”和“暗能量”是近乎不相关的,可既然我们对它们都近乎不了解,而它们又共同作用于天体,所以它们也可能是同一种粒子。该猜想可参见文献《暗物质与暗能量的统一》!
2017/11/30 18:12:52 mecwell
暗物质的定义是什么?它有什么特征属性,如果谁对它们也没有感性认识,怎么知道发现的就是暗物质呢?
目前已有3条评论
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