自1922年天文学家雅各布·卡普坦首次提出星系中没关系存在不可见的物质从此,人类对暗物质的搜索已经渡过了近一百个年龄,却依旧没能揪住这神秘物质的一丁点尾巴。暗物质研究范畴中老是传布着如许的冷笑话—暗物质实在是回事儿!但是玩笑背后,如许一种看不见摸不着,只能依靠引力觉得的物质也着实让科学家们抓破了头。

捉摸不定,从未现身因为不会辐射电磁波,同时也不摄取和反射电磁波,同重子物质之间也仅存在引力相互作用,暗物质的存在直到近代才逐渐被发明和确认。最初弗里茨·兹威基与扬·奥尔特差异敏锐地发现,星系中应当存在更多看不到的物质,这些物质的存在直到薇拉·鲁宾初阶观测星系的自转曲线才初见端倪。

假如只有重子物质存在,星系自转曲线应该同红线凡是在星系外围麻利衰减,然则现实的视察却发掘并非如此,这意味着星系外围有着大批“看不到”的物质存在。率先发掘这一现象的科学家之一即是杰出的女性科学家薇拉·鲁宾星系被包裹在巨大的暗物质团块当中,这些团块我们称之为暗物质晕。假如只有那些可以发亮的重子物质,星系外围的自转曲线本应合适牛顿力学和开普勒定律,很快地在星系外侧缩减为零,但现实上由于暗物质晕的存在,它们呈现出平坦的图形,这同只有重子物质存在的星系自转曲线是迥然不同的。

除此之外,由于存在引力作用,恒星或者星云的光在经过暗物质晕的时候会被扭曲,从而酿成引力透镜现象。因为暗物质本身不发光,以是暗物质手脚引力透镜是极为愿望的。借助于这一工具,我们以致能探测到星系碰撞时暗物质晕同中间的星系发生分离的枪弹星系团现象。然而以上探测主意都属于间接测量,暗物质的属性是如斯捉摸不定,时至今日,科学家仍未能直接探测到暗物质的存在。

暗物质的候选物浮出水面最初天文学家们以为所谓的暗物质,正是那些在天下中不发亮的天体的总和—黑洞、褐矮星、行星等天体,它们被称为晕族大质量高密度天体。虽然这些天体不发亮也许发亮极其微弱,但我们照旧能够经过议定微引力透镜效应来观测到它们。

发生碰撞的星系X射线波段观测与经由过程引力透镜计算出的暗物质团块处所漫衍的图像,由于暗物质同重子物质不发生碰撞,是以在枪弹星系团中会先高出星系,从而发生星系和暗物质晕大旨错位的现象。版权波兰天文学家波丹·巴钦斯基在二十世纪80年头建议了对麦哲伦星云的MACHO巡天计划,对大小麦哲伦星云进行了多次长时间观测,以寻找此中的微引力透镜事件。然而巡天项目结果表明,至少在大小麦哲伦星云中,MACHOs的数量远远无法餍足暗物质的存在所须要的质量,是以这一假说很快便被否定了,是以科学家们只好向基本粒子寻求解答。

无法形成小构造的热暗物质中微子和少许轻子是起首进入科学家视角的基本粒子,它们质量很小,呈电中性,同时可以在 宇宙 中大量存在。只不过中微子质量极小,在 宇宙 中乃至可以接近光速运动,这就意味着它们在 宇宙 早期冷却下来的岁月较晚,乃至比重子物质还要更晚。这些粒子被行为热暗物质的候选物。

暗物质模子被提出的时候恰逢计算机技术鼓起,多体模拟得以在计算机中实现,所以科学家们就不妨以这些粒子的性子手脚变量,行使计算机来应付世界的演化进行数值模拟,热暗物质粒子是最先被丢进这类模拟左右的。但在数值模拟之下,热暗物质模子也是最先被踢出暗物质候选者阵营的。

这是由于热暗物质模子中,暗物质粒子是少许能量极高的轻粒子,它们速率很快,在世界演化中要很晚才干冷却减速依赖在星系周遭造成暗物质晕。然而遵从世界微波配景的视察结果,世界是从一个高度平均的状态初阶膨胀的,在这个前提下,热暗物质粒子无法在数值模拟中造成星系如许“小尺度”的团块,然而在世界中我们已经能够视察到低于热暗物质阈值的小尺度构造,所以这一模子很难对现有的小尺度构造进行注释,自然就被从候选者中排除了。

宛如完美的冷暗物质有了热暗物质行为参考,冷暗物质模型也便应运而生,这类模型是对那些质量较大的,速度更小的粒子的统称,它们被称为弱相互作用大质量粒子。弱相互作用大质量粒子是质量和相互作用强度都在电弱相互作用量级的基本粒子,不参加电磁和强相互作用。因为WIMPs本身的物理性质极其不活跃,所以很难直接寻找到它们,不过基于这种猜想,众多物理测试得以创办起来。

同时,基于冷暗物质模型的 宇宙 学模拟也风起云涌地进行起来,天体物理学家詹姆斯·皮尔布斯率先愚弄多体模拟技术兑现了对冷暗物质 宇宙 模型的数值模拟。科学家们讶异的发现,这种暗物质模型几乎完美地显示了整体可观测 宇宙 的现况。

虽然粒子物理学家还没能抓住一颗暗物质粒子,不过企图天地学的科研人员们已经在硬盘中模拟出了全体天地随着暗物质和重子物质配合演化的进程。冷暗物质模子看待天地的还原是如斯贴切,时至今日仿照照旧是暗物质候选者中的大热点。无碰撞的冷暗物质模子不妨很好地合适而今的观测后果—在大部分期间,事实上,在数值模拟中能够应用的粒子数与企图机的数据处理速度都大幅提升后,科学家们发现:它也并非完美。

首先出现的是尖顶&内核问题。冷暗物质模型的密度分布相符NFW密度曲线,这意味着在冷暗物质模型的主旨,物质密度将会是发散的,也就是说暗物质晕的主旨存在一个密度极高,以至是无穷大的地域。而实际上这样无穷大的地域并不存在,虽然星系的主旨往往存在超大质量黑洞,可是冷暗物质模型中的高密度主旨的尺度比超大质量黑洞要大得多,以是两者无法同日而语。

数值模拟中,热、温、冷暗物质模型,在寰宇早期以及此刻阶段寰宇中的物质分布结构,跟着暗物质“温度”逐渐降低,没关系造成的小尺度结构就越稠密。版权苏黎世大学除了尖顶与内核问题,在冷暗物质模拟旁边浮现的另一个问题也很快凸显出来,冷暗物质模拟的结果显示了大批的小尺度结构—比热暗物质多得多。就像人们所说的,旱的旱死,涝的涝死,冷暗物质寰宇在模拟下浮现的繁多精细结构满堂他国被现有观测手段所观测到—但这倒也在情理之中。

因为冷暗物质 宇宙 旁边,暗物质粒子比重子物质更早冷却下来,造成暗物质晕,然后重子物质再逐步落入个中造成星系团和星系。所以看待那些很小的暗物质晕,将只会有很少的重子物质落入个中,以至有些更小的暗物质晕中将没有任何重子物质。在人类现有的探测本事下,这些暗物质子结构自身就很难被发掘,更无须说统计他们的数量了。

不外敏感的科学家们很快就意识到,如果稍微变换模子,无论是尖顶与内核问题,还是过多的子结构问题都将得到解决,温暗物质模子应运而生。

搜索暗物质晕的极限暗物质的属性酌夺了我们很难直接交兵并考究这种物质,不外好在它的诸多性质还是能够进行间接测量。

科学家们果然有想法直接找到暗物质晕吗?有可以。暗物质晕本身不发光的特性使得它们成为了绝佳的引力透镜天体,诈欺引力透镜效应,我们可以“轻快”找到这些暗物质晕。只不过天下是如许浩瀚,即便星辰遍布天穹,暗物质晕大量存在,暗物质晕恰巧位于恒星之前的概率依旧非常低。

哈勃千里镜对超暗矮星系Leo IV的光学波段视察,内里果真什么都看不着。版权而暗物质的数值模拟之路也尚未到头。寰宇级别的演化所需要的计算量远远超越现有人类一共的计算机,但我们没关系议定逐级放大的想法将这偌大的寰宇逐渐放大,终极获得富足“微观”的寰宇恶果。对百般暗物质模子的深入研究,正吸引着大量科研工作者。虽然冷暗物质模子如今为广泛天文学者所认同,但这一模子中依旧存在诸多问题且则无法获得合理的注释。

暗物质的实质终于因何?恐怕再过几年—或许几十年,我们终将揭开暗物质的怪异面纱;也恐怕,宛若可控核聚变那样,我们距离暗物质的真相恒久还差50年。

作者简介刘孜铭,笔名猫又,国度天文台博士在读,乘隙用天眼看看仙女座大星云。