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宇宙未解之謎----「暗物質」(包括暗能量)是什麼?

宇宙未解之謎----暗物質(包括暗能量)是什麼?

 

    宇宙是一個非常奇怪的存在儘管現在人們已經普遍接受了諸如量子論相對論和日心說這樣的開創性理論但科學仍在繼續向我們展示宇宙中還有許多讓你難以置信甚至不能理解的事下面一起來看看宇宙探索未解之謎

                  

 

暗能量是什麼?

 

  1920年代天文學家愛德文·哈勃(Edwin Powell Hubble)發現宇宙並非靜止不動而是不斷膨脹的1998哈勃太空望遠鏡對遙遠超新星進行研究發現宇宙在很久以前的膨脹速度低於現在

 

  這一具有突破性的發現讓科學家陷入困惑之中他們長久以來一直認為物質的引力逐漸減緩宇宙的膨脹速度甚至能夠導致宇宙收縮對宇宙加速膨脹進行解釋促使科學家提出暗能量理論正是這種能量導致宇宙加速膨脹

 

  科學家認為暗能量在宇宙中的比重達到近73%並且難以捉摸科學家一直未能直接觀測到它的存在科學作家阿德里安·喬表示暗能量可能永遠不會暴露其本來面目不過科學家仍比較樂觀認為通過研究能夠揭示暗能量的起源

                      

暗物質是什麼?

  1960-70年代天文學家假設宇宙的質量可能超過可觀測的質量華盛頓卡內基研究所的天文學家·魯賓(Vera Rubin)對星系內不同位置的恆星速度進行了研究

 

  發現處於星系中央的恆星速度幾乎與外側恆星的速度沒有任何差異這一發現似乎有悖於基本的牛頓物理學定律按照牛頓的物理學定律星系外側的恆星速度應該更慢

                                                              

  天文學家用一種看不見的質量解釋這一現象也就是暗物質雖然看不到暗物質也擁有質量研究人員根據其對正常物質產生的引力推斷暗物質的存在

 

  估計暗物質在宇宙中的比重為23%左右只有4%的宇宙區域由正常物質構成包括恆星行星和人類在

 

  科學家仍不知道暗物質是什麼幾年物理學家有可能探測到暗物質粒子不過即使有望在不久後發現暗物質粒子天文學家也無法在短期內確定這種神秘物質的特性

                                            

消失的重子哪去了?

 

  暗能量和暗物質構成了大約95%的宇宙正常物質僅構成餘下的5%然而在正常物質中也有超過一半消失它們的去處成為不解之謎

 

  所謂的重子物質構成了質子和電子等粒子這兩種粒子在宇宙可見物質中佔相當大比重

 

  雜誌特約撰稿人尤希吉特·巴塔查爾吉表示在對從早期宇宙到現在的重子數量進行計算時天文學家發現重子數量神秘減少好像重子在宇宙演變史上穩定消失一般

 

      據天體物理學家推測消失的重子物質可能存在於星系之間被稱為溫熱星系際介質尋找消失的重子仍舊是天文學家首先要揭開的謎團之一因為對它們進行觀測有助於科學家了解宇宙和星系的結構如何隨時間推移發生變化

                                   

暗物質最新研究可能顛覆物理體系

 

    暗物質暗能量這聽起來就很神秘很多人看了這些後都感覺高深莫測到底它是什麼起著什麼作用本文就當前這方面科學探索的現狀來一揭神秘

 

    研究意義:暗物質和暗能量是人們對於現存物理體系在解釋星系及宇宙空間的特異狀況而提出其研究有可能顛覆現存的物理體系和人們對日常物理現象的認知

 

暗物質和暗能量解釋

 

1暗物質實際科學界也無法斷言它到底是什麼在人類對宇宙的探索中人們發現有一種神秘的物質廣泛存在於星系及宇宙的大部分空間它不與大部分物質作用所以很難發現其特性之一就是不帶電荷不與電磁場發生作用但是暗物質是有質量的因此它能干涉光波以及星系的運轉這也是我們發現它的原因

    暗物質有多少我們人眼能看到的物質的質量乘以5倍大概就是暗物質的質量因此宇宙中的大部分物質人類還是無法感知的

 

2暗能量用個簡單的說法來說他和萬有引力起反作用驅動著宇宙的膨脹它的質量更大之所以加引號質量和能量是能轉換的如果用質量來描述暗能量它的質量是我們可見物質的10餘倍

 

3暗物質與暗能量是否統一目前有待驗證一般說法為他們為獨立的兩種宇宙模型

                                 

                                                             中國錦屏地下實驗室

 

目前關於暗能量和暗物質的最新研究 

    我國對暗物質的研究走在世界的前沿但是可能研究途徑及方法的限制目前成果較少

 

    由於暗物質和暗能量不可見並且弱作用力目前的探測技術非常局限對儀器的精度以及抗干擾能力要求非常高

 

    2010我國對暗物質的研究走上一個新台階中國錦屏地下實驗室對暗物質的專題研究低干擾地下實驗室

    2012由我國暗物質實驗合作組主導的觀測組高純鍺探測器的手段並沒有發現暗物質的存在

    2013丁肇中團隊以及麻省理工學院通過再空間站的實驗結果提出分析的40萬電子可能來自脈衝星或者暗物質

    2014由丁肇中攜手山東大學的探測項目通過更多的數據分析再而證實實驗中的電子來源問題可能來自暗物質

    201411中國暗物質實驗(CDEX)合作組4年磨一劍,取得了重要進展:對於10GeV以下暗物質的直接探測,CDEX合作組利用點電極高純鍺,得到了目前國際最靈敏的實驗結果。不僅進一步縮小了暗物質可能存在的區域,同時推翻了美國CoGeNT暗物質實驗組近年來宣稱 已經探測到暗物質存在區域的結論。

 

    2015我國把悟空探測衛星發射到太空其主要研究目的為探測暗物質 

    2017年3月美國NASA聲稱繪製宇宙中暗物質的分佈圖科學家最近繪製了宇宙中暗物質的分布圖這是人類第一次分析暗物質在較大範圍的結構並且證實了一個假即暗物質就像腳手架一樣支撐著宇宙中的一切物質

                                          

                                    美國NASA所繪製宇宙中暗物質的分佈圖

    加州理工學院的斯科維爾(Nick Scoville)帶領70餘位世界各國的天文學家利用哈勃望遠鏡對太空進行了宇宙演化勘測」(COSMOS)的大範圍觀測據歐洲航天局報導這一次太空觀測的範圍大約相當於10個滿月的面積

 

    加州理工學院另一位學者梅西(Richard Massey)所率領的研究團隊根據COSMOS的結果繪製了暗物質三維分布圖像發現暗物質就像一張無形的網絡瀰漫在宇宙間

 

    天文學家發現同一範圍的物質星系和暗物質分大致一樣而且像星系這樣的物質是匯集在高密度的暗物質網絡上的

 

西蒙·大衛·曼頓·懷特,FRS (Simon David Manton White)

對暗物質研究的貢獻

                                             

                                                  西蒙·懷特在2012年的全英天文學會議上演講

 

    懷特的研究主要在宇宙的大尺度結構和星系形成上他最知名的研究就是和馬丁·芮斯和卡洛斯·弗倫克在星系形成上的研究這類模型已經成為了星系模型上的標準範式以及在建立宇宙的標準模型ΛCDM模型上的貢獻

 

    在懷特讀博的時候他就開始研究暗物質對結構形成和星系演化的影響1978年他和馬丁·芮斯提出暗物質暈的分層聚類所主導的氣體吸積形成星系的星系模型可以解釋星系的各類性質 

    在之後的幾年懷特與馬可·戴維斯(Marc Davis)喬治·埃夫斯塔希歐

(George Petros Efstathiou)和卡洛斯·弗倫克 (Carlos Silvestre Frenk)等人合作這四個人後來被非官方地稱為DEFW 四劍客他們在大尺度結構和星系的理論基礎上開發用於計算機模擬的模型1983-1988年他們的一連串工作證明了冷暗物質主導的宇宙可以最好的擬合大尺度結構上的觀測數據這使得他們四人在2011年獲得了宇宙學界的最高獎格魯貝爾宇宙學獎最新的一個大型項目即是2005年懷特和弗倫克主導的包含了二百萬個星系的千禧年模擬

 

    懷特的其工作包括與胡里奧·納瓦羅和卡洛斯·弗倫克基於星系動力學和星系聚類統計結果所提出的通用的暗物質暈的質量分布以及其對星系形成和演化的控制這一理論Navarro-Frenk-White Profile)這兩篇總引用數接近13000次的文章給懷特帶來了極高的名譽但是雖然這個模型的出發點是去解決之前冷暗物質模型無法解決的矮星系問題這個模型也不可避免地帶來了星系暈尖點問題並且對矮星系問題的解釋依然無法很合適地匹配觀測現象基於2016年年末谷歌學術的統計懷特的400餘篇論文使他的總被引用數目高達134,0002017獲得邵逸夫獎

                                                

                   國家天文台研究員趙公博先生

    2017年9月科技日報》從中科院獲悉,國家天文台研究員趙公博帶領的國際合作團隊通過對最新天文觀測數據的分析,發現了暗能量隨時間演化的証據。此發現表明暗能量的本質有可能不是愛因斯坦百年前提出的宇宙學常數,這對暗能量的研究具有重大意義。

 

  該成果於8月底在線發表於《自然》雜天文專刊上,9月5日在該刊的新聞與觀點欄目又在線發表了國際知名學者撰寫的解讀文章。

 

  揭示暗能量的物理本質是現代科學中最重大的課題之一。暗能量的物理性質體現在其狀態方程中,即暗能量的壓強與能量密度的比值。在傳統的真空能——冷暗物質宇宙學標模型中,暗能量是愛因斯坦在1917年提出的宇宙學常數。在此模型中,暗能量不具有任何動力學性質。

 

  2016年,趙公博帶領國際大型星系巡天SDSS-Ⅲ(BOSS)合作組,利用最新觀測數據和新方法,在宇宙演化的多個時期,以高精度測量得到了重子聲波振蕩(BAO)信號。

 

  基於此測量,趙公博領導的國際團隊利用其開發的暗能量重建方法在3.5個標差水平發現了暗能量狀態方程隨時間演化的証據。這意味著暗能量的本質可能不是真空能,而是某種動力學場。

 

  據介紹,暗能量的動力學性質還需要下一代大型巡天觀測的証認。未來5—10年內,科學家期待世界上最大型的星系巡天eBOSS項目(趙公博擔任此項目領導者之一)、DESI項目(國家天文台是合作伙伴單位)、PFS項目(國家天文台是合作伙伴單位)等能夠幫助人類揭開暗能量之謎。

 

 

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