暗物質究竟是什麽？科學家尚無法給出確切答案

宇宙中超過 80% 的物質是由科學家從未見過的物質組成的。它被稱為暗物質，我們只是假設它存在，因為沒有它，恒星、行星和星系的行為根本就沒有意義。這是我們所知道的，或者更確切地說，是我們認為我們知道的。 什麽是暗物質，為什麽它是不可見的？ 暗物質是完全看不見的。它不發射光或能量，因此不能被傳統的傳感器和檢測器檢測到。科學家們認為，其難以捉摸的本質的關鍵必須在於它的成分。 可見物質，也稱為重子物質，由重子組成——重子是質子、中子和電子等亞原子粒子的總稱。科學家們只是推測暗物質是由什麽構成的。它可以由重子組成，但也可以是非重子，這意味著由不同類型的粒子組成。 大多數科學家認為暗物質是由重子物質組成的。主要候選者 WIMPS（弱相互作用的大質量粒子）被認為具有質子質量的十到壹百倍，但它們與“正常”物質的弱相互作用使它們難以被發現。中微子是比中微子更重、更慢的巨大假設粒子，是最重要的候選者，盡管它們尚未被發現。 無菌中微子是另壹個候選者。中微子是不構成常規物質的粒子。壹條來自太陽的中微子河流，但由於它們很少與正常物質相互作用，它們穿過地球及其居民。 已知有三種中微子；第四種，無菌中微子，被提議作為暗物質候選者。無菌中微子只能通過重力與常規物質相互作用。 密歇根州立大學物理學和天文學副教授、南極洲冰立方中微子天文臺的合作者泰斯·德揚告訴太空：“壹個懸而未決的問題是，進入每個中微子種類的分數是否存在模式。” .com。 較小的中性軸子和不帶電的光子——都是理論粒子——也是暗物質的潛在占位符。 還有反物質這種東西，和暗物質不壹樣。反物質由與可見物質粒子基本相同但電荷相反的粒子組成。這些粒子稱為反質子和正電子（或反電子）。當反粒子遇到粒子時，會發生爆炸，導致兩種物質相互抵消。因為我們生活在壹個由物質構成的宇宙中，很明顯周圍沒有那麽多反物質，否則就什麽都沒有了。與暗物質不同，物理學家實際上可以在他們的實驗室中制造反物質。 但如果我們看不到暗物質，我們怎麽知道它的存在呢？答案是重力，由物質構成的物體所施加的力與其質量成正比。自 1920 年代以來，天文學家就假設宇宙必須包含比我們所能看到的更多的物質，因為似乎在宇宙中發揮作用的引力似乎比僅可見物質所能解釋的要強。 天文學家在 1970 年代檢查螺旋星系時預計會看到中心的物質比外緣移動得更快。相反，他們發現兩個位置的恒星以相同的速度行進，這表明星系包含的質量比可見的要多。 對橢圓星系內氣體的研究也表明，需要比可見物體更多的質量。如果星系團所包含的唯壹質量是常規天文測量可見的質量，它們就會飛散。 不同的星系似乎包含不同數量的暗物質。2016 年前，範多庫姆領導的壹個團隊發現了壹個名為蜻蜓 44的星系，它似乎幾乎完全由暗物質組成。另壹方面，自 2018 年以來，天文學家發現了幾個似乎完全沒有暗物質的星系。 引力不僅影響星系中恒星的軌道，還影響光的軌跡。著名物理學家阿爾伯特·愛因斯坦在 20 世紀初表明，宇宙中的大質量物體由於其引力而彎曲和扭曲光。這種現象稱為引力透鏡。通過研究光是如何被星系團扭曲的，天文學家已經能夠繪制出宇宙中暗物質的地圖。 今天，絕大多數天文學界都承認暗物質的存在。 盡管所有證據都指向暗物質的存在，但也有可能根本不存在這樣的東西，並且描述太陽系內物體運動的萬有引力定律需要修改。 暗物質似乎以網絡狀分布在整個宇宙中，在纖維相交的節點處形成了星系團。通過驗證引力在我們太陽系內外的作用相同，研究人員為暗物質和暗能量的存在提供了額外的證據。 暗物質從何而來？ 暗物質似乎以網狀分布在整個宇宙中，在纖維相交的節點處形成了星系團。通過驗證太陽系內外的引力作用相同，研究人員為暗物質的存在提供了額外的證據。（事情甚至更復雜，因為除了暗物質之外，似乎還有暗能量，這是壹種無形的力量，負責對抗重力的宇宙膨脹。） 但是暗物質從何而來？顯而易見的答案是我們不知道。但還是有壹些理論。2021 年 12 月發表在《天體物理學雜誌》上的壹項研究認為，暗物質可能集中在黑洞中，黑洞是通往虛無的強大大門，由於它們的極端引力，它們會吞噬附近的壹切。因此，暗物質將與我們今天所看到的宇宙的所有其他構成元素壹起 在大爆炸中產生。 白矮星和中子星等恒星殘骸也被認為含有大量暗物質，所謂的自有矮星也是如此，這些失敗的恒星沒有積累足夠的物質來啟動核聚變. 科學家如何研究暗物質？ 既然我們看不到暗物質，那我們真的可以研究它嗎？有兩種方法可以更多地了解這個神秘的東西。天文學家通過觀察宇宙中物質的聚集和物體的運動來研究宇宙中暗物質的分布。另壹方面，粒子物理學家正在尋求探測構成暗物質的基本粒子。 安裝在國際空間站上的壹項名為阿爾法磁譜儀(AMS) 實驗可以檢測宇宙射線中的反物質。自 2011 壹直以來，它已被超過 1000 億條宇宙射線擊中，為了解穿越宇宙的粒子組成提供了迷人的見解。 “我們測量了過量的正電子（電子的反物質對應物），這種過量可能來自暗物質，”AMS 首席科學家、麻省理工學院諾貝爾獎獲得者 Samuel Ting 告訴 Space.com。“但目前，我們仍然需要更多數據來確保它來自暗物質，而不是來自壹些奇怪的天體物理學來源。這將需要我們再運行幾年。” 回到地球上，在意大利的壹座山下，LNGS 的 XENON1T正在尋找 WIMP 與氙原子碰撞後的相互作用跡象。 位於南達科他州金礦的大型地下氙暗物質實驗(LUX) 也壹直在尋找 WIMP 有相互作用的跡象。但到目前為止，該儀器還沒有揭示出什麽神秘的物質。 IceCube中微子天文臺是壹個埋在南極冰凍表面下的實驗，正在尋找假設的無菌中微子。無菌中微子僅通過重力與常規物質相互作用，使其成為暗物質的有力候選者。 旨在探測難以捉摸的暗物質粒子的實驗也在瑞士歐洲核研究組織(CERN) 的強大粒子對撞機中進行。 幾個繞地球運行的望遠鏡正在尋找暗物質的影響。歐洲航天局的普朗克航天器於 2013 年退役，在拉格朗日點2（繞太陽軌道上的壹個點，航天器相對於地球保持穩定位置）工作了四年，繪制了宇宙微波背景的分布圖，宇宙大爆炸的遺物。這種微波背景分布的不規則性揭示了暗物質分布的線索。 2014 年，美國宇航局的費米伽馬射線太空望遠鏡在伽馬射線光下繪制了我們銀河系中心的地圖，揭示了從其核心延伸出的過量伽馬射線輻射。 “我們發現的信號無法用目前提出的替代方案來解釋，並且與非常簡單的暗物質模型的預測非常壹致，”主要作者、伊利諾伊州費米實驗室的天體物理學家 Dan Hooper 告訴 Space.com。 研究人員說，過量可以通過質量在 31 到 400 億電子伏特之間的暗物質粒子的湮滅來解釋。結果本身不足以被認為是暗物質的確鑿證據。需要來自其他觀測項目或直接探測實驗的額外數據來驗證解釋。 經過 30 年的發展，於 2021 年 12 月 25 日發射的詹姆斯韋伯太空望遠鏡預計也將有助於尋找難以捉摸的物質。世紀望遠鏡的紅外眼睛可以看到時間的開始，無法直接看到暗物質，但通過觀察宇宙最初階段以來的星系演化，有望提供見解這在以前是不可能的。