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占据宇宙总质量的85%,却始终无法观测,暗物质终于“露出马脚”

占据宇宙总质量的85%,却始终无法观测,暗物质终于“露出马脚”
2020年08月07日 14:02 新浪网 作者 娜姐美食

  引言:在我们的宇宙中,有着无数的巨大恒星和黑洞。它们的质量动辄是太阳的几百倍,甚至有的达到了太阳质量的几百亿倍。可是,它们仅仅占了宇宙质量的一小部分,绝大部分的宇宙质量,被暗物质所占据……

  

  20世纪30年代,瑞士天文学家弗里茨·兹维基在对后发座星系团进行观测的时候,发现了一件奇怪的事。他发现,当他利用观测数据推算星系团质量的时候,发现这个星系团所能产生的引力并不很大。根据这样的数据来推算,这个星系团不会聚集在一起,而是会很快就“甩开”彼此,分散到四处。

  在接下来的几年时间里,其他的科学家陆续也发现了类似的现象,宇宙中大量的天体集合所产生的引力都比我们看到的要大。这意味着,它们还有我们未知的物质能够提供引力。大家想到了1922年时荷兰天文学家雅各布·卡普坦曾经提出了暗物质的概念,于是证实了卡普坦的预言:宇宙中的确有一种叫做暗物质的东西。

  

  暗物质的暗不仅仅是眼睛看不到的暗,而是全方位的暗。眼睛看不到只是可见光波段的暗,但暗物质在任何电磁波段都无法检测到。它们也不会构成什么天体,也不与我们已知的物质有什么反应,所以科学家们始终不知道这种物质到底是什么。

  但是,它们拥有质量,可以与可见物质(由重子构成的物质)产生引力作用,这就是它们存在的重要证据,也是它们留给我们的蛛丝马迹。通过对宇宙各个天体的观测,科学家们已经估算出了暗物质的总质量,大概占据了整个宇宙质量的85%。而我们眼睛或者望远镜能观测到的可见物质,才仅仅占了宇宙总质量的15%左右。

  迄今为止,暗物质的本质仍然是科学界最大的谜题之一,任何能够破解这个谜题的人,都将被历史所铭记。

  

  目前来说,暗物质和可见物质的引力作用仍然是我们检测暗物质的最有效手段。科学家利用这个手段观测发现,暗物质在宇宙中并不是均匀分布的。在不同的位置,暗物质的密度各不相同;对于不同的星系来说,暗物质所占的比例也并不一样。

  其中一个比较有效的方法,那就是引力透镜效应。根据爱因斯坦的广义相对论,物质的质量会造成空间的弯曲。当光线经过这样扭曲的空间时,也会在空间的作用下发生“偏折”。对于小天体来说,它们的引力想要导致光线的偏折是非常困难的。至少是太阳这样的恒星,才能略微导致光线的轻微偏折。如果想要看到明显的空间扭曲,我们要借助某个星系甚至是星系团才可以。

  

  当某个天体被星系或者是星系团这样的天体结构遮挡时,原本我们是看不到的。但是,由于这些星系的引力足以让光线发生扭曲,就会把身后的天体展现出来,这就是引力透镜效应。

  最近,纽约大学的理论物理学家赛达斯·米什拉-夏尔马所领导的一支团队,提出了一种利用引力透镜效应检测小范围内暗物质的方法,或许将可以帮助我们了解这种神秘的物质。

  实际上,这个理论在很久以前就有人提出了,被称为天体测量弱引力透镜。当暗物质恰在某颗恒星和地球之间的位置掠过时,它的引力透镜效应会导致恒星的亮度发生变化,导致我们观测起来就好像这颗恒星在移动一样。但是,就像我们说的,这么小范围内的暗物质所能导致的光线偏折非常有限,因此虽然理论早已被提出,却始终无法 被我们真正用来检测暗物质。

  

  米什拉-夏尔马和他的同事在经过长期的研究后认为:如此不明显的现象,自然不能对单个恒星进行检测。如果我们是对大量的恒星进行天体测量弱引力透镜的检测,将会有意想不到的效果。

  “我们的研究表明,借助不久的将来即将投入使用的下一代观测技术,就有可能发现一些暗物质光环、紧凑天体或者是标量场暗物质所导致的密度波动现象。”

  他们所提出的具体方法是:通过非常精确的天文观测,然后利用他们所构建的一个模型来分析恒星或者是星系的速度及加速度分布,从而可以反推出暗物质的存在。他们将自己的这个理论应用在了一些模拟场景下,结果发现这些分布也随着暗物质的类型而变化,这意味着科学家可以利用这个技术来验证暗物质模型。

  

  不仅如此,他们还发现:太阳在围绕银河系中心公转的过程中,会给这些分布引入一些不对称性,通过这些不对称性,科学家可以去除探测到的噪音,提取出其中的天体弱引力透镜信号。

  目前来说,能够提供这些信息的,就是欧洲航天局的盖亚卫星了。盖亚卫星的使命就是对银河系内几十亿颗恒星进行观测,绘制一幅精确的银河系地图。不过,当他们尝试将盖亚卫星的数据引入到自己的模型中进行计算的时候,发现其中的噪声实在太多,所以无法提取出精确的信号来。

  他们指出,随着盖亚卫星发布越来越多的数据、以及更多先进的观测设备出现时,这个问题就能够得到有效的解决。

  

  (图片说明:罗曼太空望远镜)

  文中所指的观测设备,就是正在澳大利亚建设的平方公里阵列射电望远镜,以及NASA的南希·罗曼太空望远镜。二者都是已经开始施工的新一代望远镜,观测能力极强,远超过现在正在服役的其他望远镜。凭借着它们的强大能力,米什拉-夏尔马等人的理论或许将会大显神威。因此,他们这个理论,需要等到未来几年才能得到验证。

  占据宇宙总质量85%的暗物质虽然无法被我们直接观测到,但它对于宇宙来说至关重要。如果不是它们的存在,宇宙中的星系可能全都会变成一盘散沙。甚至,如果没有暗物质,可能我们的宇宙都会比现在要更加零散。到底是什么力量在凝聚着星系和宇宙呢?也许再过几年,这个谜题就会被解开吧!

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