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美国媒体盘点了11个关于暗物质的未解谜团

发布时间:2021-03-30 20:00:04

参考3月10日发布的美国有趣科学网站,对11个尚未解决的暗物质问题进行了总结,全文如下:

上世纪30年代,瑞士天文学家弗里茨·维基(FritzWiki)注意到,在遥远的恒星群中,星系围绕着彼此旋转的速度远比它们应有的速度快得多,相当于它们的可见质量。他认为,一种无形的物质--他称之为暗物质--可能会通过引力将银河系拉扯。

从那时起,研究人员已经证实,这种神秘物质可能在整个宇宙中被发现,可能比构成恒星和人类等普通物质的正常物质丰富六倍。然而,尽管暗物质可能存在于整个宇宙中,但大多数科学家仍然对它感到困扰。以下是关于暗物质的11个尚未解决的问题。

什么是暗物质?

首先,也许最令人费解的是,研究人员仍然不确定什么是暗物质。最初,一些科学家推测,宇宙中质量(或无追踪质量)的短缺是由小暗星和黑洞组成的,尽管详细的观测没有发现足够多的此类物体来说明暗物质的影响,美国能源部费米国家加速器实验室(FermiNationalAcceleratorLab)的物理学家唐·林肯(DonLincoln)曾为该网站撰写过这篇文章。林肯写道,暗物质的主要竞争者是被称为大质量弱相互作用粒子的假设粒子,它的作用有点像中子,只不过它是质子质量的10到100倍。不过,这种猜测只会带来更多的问题。

我们能探测暗物质吗?

如果暗物质是由WIMPs构成的,那么它们应该在我们周围,看不见,并且几乎觉察不到。那么,我们为什么还没有发现任何暗物质呢?虽然它们不会与普通物质有太多相互作用,但暗物质粒子在空间中穿行时,总是有暗物质粒子可能与中子或电子等普通粒子碰撞的微小机会。因此,研究人员已经建立一个又一个实验,在深层地下研究大量普通粒子,在深层地下,它们可以免受干扰辐射的影响,可以模拟暗物质粒子碰撞。

经过数十年的探寻,这些探测器中没有一个得到可信的发现。今年早些时候,中国的粒子和天体物理氙探测器(PandaX)实验报告了最新的未发现WIMPs的结果。加利福尼亚大学里弗赛德分校物理学家于海波(音)当时在接受采访时说,似乎暗物质粒子比WIMPs小得多,或者缺乏令它们易于研究的性质。

暗物质由多少粒子构成?

普通物质由质子、电子等普通粒子以及中微子、μ子等奇特粒子组成。因此,一些研究人员想知道暗物质的构成是否也同样复杂。哈佛大学的物理学家安德雷·卡茨在接受美国太空网站记者采访时说:“没有充分的理由认为宇宙中的所有暗物质都是由一种粒子构成的。”卡茨说,暗质子可能与暗电子结合,生成暗原子,形成与在可见世界中发现的同样丰富有趣的结构。虽然这样的设想在物理实验室中被越来越多地提出,但目前为止,科学家们仍难以找到一种方法去证实或否定它们。

暗力量存在么?

除了额外的粒子,暗物质还有可能经历类似于普通物质所感受到的力。一些研究人员已经在寻找“暗光子”,这就像普通粒子之间交换光子并产生电磁力,不同之处在于只有暗物质粒子才能感受到它们。据此前报道,意大利的物理学家准备令一个电子束及其反粒子(也就是正电子)碰撞一颗钻石。如果暗光子的确存在,那么电子-正电子就可能毁灭并产生一种奇特的带有力的粒子,有可能开辟宇宙的一个全新领域。

暗物质由轴子构成?

随着物理学家越来越不再喜欢WIMPs,其他暗物质粒子正在开始获得青睐。主要的替代品之一是一种被称为轴子的假设粒子,这种假设粒子的质量将是极轻的。轴子现在正在一些实验中被搜寻。最近的计算机模拟已经提出这样一种可能性,即这些“轴子”可能形成星状天体,这可能产生可探测到的辐射,与被称为快速射电暴的神秘现象相似。

暗物质有什么属性?

天文学家通过暗物质与普通物质的引力相互作用发现了暗物质,这表明这是暗物质令其自身在宇宙中的存在为人所知的主要方式。但在试图了解暗物质的真正性质时,研究人员几乎没有什么进展。根据一些理论,暗物质粒子应该是它们自己的反粒子,这意味着两个暗物质粒子在相遇时会湮灭。国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS)实验自2011年以来就一直在寻找这种迹象,并且已探测到成千上万次活动。科学家们仍不确定这些活动是否来自暗物质,而且这种信号也尚未帮助他们确定暗物质到底是什么。

暗物质存在于每个星系?

由于暗物质的质量远远超过普通物质的质量,暗物质通常被说成是组织星系以及星团等大型结构的控制力量。因此,当今年早些时候,天文学家们宣布发现了一个名为NGC 1052-DF2的星系,这个星系似乎几乎不包含任何暗物质的时候,是很奇怪的。耶鲁大学的彼得·范多克姆在接受太空网站的记者采访时说:“暗物质显然并非形成一个星系的必要条件。”然而,在夏季,另一个团队的分析报告称,范多克姆的团队在测量到那个星系的距离时存在误测,这意味着那个星系的可见物质比最初的发现要暗淡且轻得多,同此前所认为的相比,那个星系的更多质量在暗物质中。

DAMA/LIBRA实验有何结果?

粒子物理学中一个长期以来的谜团是欧洲DAMA/LIBRA实验令人困惑的结果。这个位于意大利的探测器一直在寻找暗物质粒子的周期震荡。自1997年以来,DAMA/LIBRA称看到了这种信号,尽管没有其他实验看到过这样的信号。

暗物质可能有电荷么?

一些物理学家提出,暗物质可能有电荷。在宇宙初期、大爆炸之后仅18000万年,恒星发出波长为21厘米的辐射。然后,这被同时存在的冷氢吸收。当今年2月探测到这种辐射时,发现冷氢比科学家预测的要冷得多。哈佛大学的天体物理学家朱利安·穆奥斯当时在接受采访时假设说,带有电荷的暗物质可能会从无处不在的氢中吸走热量,有点像浮在柠檬水中的冰块。但这一推测尚未得到证实。

中子能衰变为暗物质?

中子是寿命有限的普通物质粒子。在大约14分半钟后,脱离了原子的一个单独的中子将衰变为一个质子、一个电子和一个中微子。但根据美国《物理评论快报》周刊去年7月的一篇研究论文援引的实验显示,两种不同的实验装置将令这种衰变的时间略有不同,大约相差9秒。今年早些时候物理学家提出,如果一些中子能在百分之一的时间里衰变为暗物质粒子,那么就可能解释这种异常现象。新墨西哥洛斯阿拉莫斯国家实验室的克里斯托弗·莫里斯及其团队对中子进行监测,以寻找可能是暗物质的信号,但无法探测到任何结果。据这项研究称,他们认为,其他衰变情况或许仍有可能。

暗物质真的存在么?

考虑到科学家在试图探测和解释暗物质时所面临的困难,一个通情理的提问者可能会想,是否这一切都是错的。很多年来,少数直言不讳的物理学家一直主张这样一种想法,即我们的引力理论可能是错误的,并且这种基本力在大数量级尺度上作用的方式和我们所预期的不同。通常被称为修正牛顿引力理论(MOND)的看法认为,暗物质并不存在,恒星和星系以超快的速度围绕彼此旋转是引力以令人意外的方式作用的结果。物理学家唐·林肯对美国趣味科学网站解释说:“暗物质仍然是一个未经证实的模型。”然而,这些人尚未令更多人信服他们的想法。此外,最新的证据也表明暗物质是真实存在的。

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