宇宙至少由兩種物質(zhì)構(gòu)成。第一種是我們可以探測(cè)到的物質(zhì)，天文學(xué)家稱(chēng)之為“重子”物質(zhì)。它被認(rèn)為是“普通”物質(zhì)，因?yàn)樗怯煽梢詼y(cè)量的質(zhì)子和中子組成的。重子物質(zhì)包括恒星和星系，以及它們所包含的所有物體。
宇宙中還有一些“東西”是無(wú)法通過(guò)正常的觀測(cè)手段探測(cè)到的。然而，它確實(shí)存在——因?yàn)榭梢詼y(cè)量出它對(duì)重子物質(zhì)的引力作用。天文學(xué)家稱(chēng)這種物質(zhì)為“暗物質(zhì)”，因?yàn)樗[藏在黑暗中，無(wú)法直接被探測(cè)到。它不反射也不發(fā)射光。這種神秘的物質(zhì)形式對(duì)我們了解宇宙提出了重大挑戰(zhàn)，對(duì)它的研究可以追溯到137億年前的宇宙之初。
暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)
幾十年前，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中沒(méi)有足夠的質(zhì)量來(lái)解釋星系中恒星的旋轉(zhuǎn)和星團(tuán)的運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量影響著一個(gè)物體在空間中的運(yùn)動(dòng)，無(wú)論是星系、恒星還是行星。一些星系旋轉(zhuǎn)的方式似乎在暗示某個(gè)地方有更多的質(zhì)量。天文學(xué)家無(wú)法直接探測(cè)到這些神秘的隱藏質(zhì)量。當(dāng)他們用恒星和星云推測(cè)一個(gè)星系的質(zhì)量時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)“質(zhì)量好像少了”。維拉·魯賓博士和她的團(tuán)隊(duì)在觀測(cè)星系時(shí)發(fā)現(xiàn)了端倪，這是天文學(xué)家第一次注意到預(yù)期的旋轉(zhuǎn)速率(基于估計(jì)的星系質(zhì)量)和實(shí)際觀測(cè)速率之間存在差異。
研究人員開(kāi)始進(jìn)行深入研究，以找出“質(zhì)量不夠”的原因。他們認(rèn)為，這可能是對(duì)物理學(xué)，即廣義相對(duì)論的理解存在偏差，但太多其他現(xiàn)象又不足以支持這個(gè)觀點(diǎn)。所以，他們斷定，也許不存在“質(zhì)量少了”，而是我們無(wú)法觀測(cè)到這些神秘的質(zhì)量。
雖然我們?nèi)匀挥锌赡軐?duì)引力理論的理解不夠全面正確，但第二種解釋更容易讓人接受。暗物質(zhì)的想法從此萌生。在星系周?chē)嘘P(guān)于暗物質(zhì)的觀測(cè)證據(jù)，理論和模型都指出了暗物質(zhì)參與了宇宙的早期形成。所以，天文學(xué)家和宇宙學(xué)家一致同意它就藏在宇宙中，但它究竟是什么，還沒(méi)有人能給出明確的解釋。
冷暗物質(zhì)
那么，暗物質(zhì)是什么呢?到目前為止，科學(xué)家只給出了它的理論模型。它們實(shí)際上可以分為三大類(lèi):熱暗物質(zhì)(HDM)、暖暗物質(zhì)(WDM)和冷暗物質(zhì)(CDM)。
在這三類(lèi)中，CDM長(zhǎng)期以來(lái)一直是宇宙中缺失物質(zhì)的主要候選者。但，一些研究人員仍然支持一種組合理論，即所有三種類(lèi)型的暗物質(zhì)共同存在，以彌補(bǔ)總質(zhì)量的缺失。
如果CDM存在的話(huà)，與光速相比，它移動(dòng)得很慢。科學(xué)家認(rèn)為它從一開(kāi)始就存在于宇宙中，并很可能影響了星系的生長(zhǎng)和演化，以及第一批恒星的形成。天文學(xué)家和物理學(xué)家認(rèn)為它很可能是某種尚未被探測(cè)到的外來(lái)粒子。它很可能有一些非常特殊的性質(zhì)。
因?yàn)榘滴镔|(zhì)是黑暗的，顯然，它無(wú)法與電磁力相互作用。因此，它不會(huì)與電磁波譜中的任何類(lèi)型的能量發(fā)生相互作用、反射或輻射。
然而，任何組成冷暗物質(zhì)的候選粒子都會(huì)與引力場(chǎng)發(fā)生相互作用。天文學(xué)家們已經(jīng)多次觀測(cè)到“引力透鏡效應(yīng)”，星系團(tuán)中暗物質(zhì)的積累會(huì)對(duì)恰好經(jīng)過(guò)的更遙遠(yuǎn)的天體的光產(chǎn)生引力影響。這些現(xiàn)象證實(shí)了“組成冷暗物質(zhì)的候選粒子都會(huì)與引力場(chǎng)發(fā)生相互作用”的猜想。
組成冷暗物質(zhì)的可能粒子
雖然沒(méi)有已知物質(zhì)滿(mǎn)足冷暗物質(zhì)的所有標(biāo)準(zhǔn)，但至少有三種理論可以解釋CDM(如果它們存在的話(huà))。
大質(zhì)量弱相互作用粒子:也被稱(chēng)為wimp，這些粒子的定義滿(mǎn)足了CDM的所有需求。然而，科學(xué)家還未發(fā)現(xiàn)它。不考慮粒子產(chǎn)生原因的角度下，大質(zhì)量弱相互作用粒子成為冷暗物質(zhì)候選粒子的首選。
軸子:這些粒子擁有暗物質(zhì)的必要屬性(至少在一定程度上)，但由于種種原因，它們可能不是冷暗物質(zhì)問(wèn)題的答案。
MACHOs(大質(zhì)量致密暈星):這個(gè)詞是大質(zhì)量致密暈星的縮寫(xiě)，大質(zhì)量致密暈星是指黑洞、古代中子星、褐矮星和行星等天體。這些都是不發(fā)光且質(zhì)量大的星體。但是，由于它們的體積和質(zhì)量都很大，通過(guò)監(jiān)測(cè)定域引力相互作用，很容易探測(cè)到它們。MACHO的假設(shè)也存在爭(zhēng)議。因?yàn)橛^測(cè)到的星系運(yùn)動(dòng)在某種程度上是均勻的，而MACHOs是丟失的質(zhì)量，這似乎存在矛盾。此外，星團(tuán)在其邊界內(nèi)非常均勻地分布天體似乎是非常不可能的。另外，MACHOs的絕對(duì)數(shù)量必須相當(dāng)大才能解釋失蹤的質(zhì)量。
目前，暗物質(zhì)之謎還沒(méi)有一個(gè)肯定的解釋。天文學(xué)家還在繼續(xù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)尋找這些難以捉摸的粒子。當(dāng)他們弄清楚它們是什么以及它們是如何分布在整個(gè)宇宙中的時(shí)候，將開(kāi)啟人類(lèi)理解宇宙的新篇章。
作者: John P. Millis, Ph.D
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