暗物質[宇宙學術語]

暗物質[宇宙學術語]
暗物質[宇宙學術語]
更多義項 ▼ 收起列表 ▲

暗物質(dark matter),在宇宙學中又稱為暗質,是指無法通過電磁波的觀測進行研究,也就是不與電磁力產生作用的物質。人們已經發現宇宙中有大量暗物質的存在。暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性,對結構形成也非常地關鍵。暗物質很有可能是一種(或幾種)粒子物理標準模型以外的新粒子所構成。對暗物質和暗能量的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量,暗物質占宇宙25%,暗能量占70%,通常所觀測到的普通物質只占宇宙質量的5%。

基本信息

簡介

大質量的星系團阿貝爾2218為科學家提供了暗物質存在的證據。通過星系團周圍的弧線——背景星系扭曲的像,天文學家發現其中必定還含有更多看不見的物質。暗物質[宇宙學術語]

宇宙學中,暗物質是指那些不發射任何光及電磁輻射的物質。暗物質存在的最早證據來源於對球狀星系鏇轉速度的觀測。

暗物質在宇宙中所占的份額遠遠超過人類可以看到的物質。宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量,暗物質占宇宙25%,暗能量占70%,我們通常所觀測到的普通物質只占宇宙質量的5%。

暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性,對結構形成也非常關鍵。暗物質很有可能是一種(或幾種)粒子物理標準模型以外的新粒子。對暗物質和暗能量的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。

發現歷史

星系自轉曲線

最早提出證據並推斷暗物質存在的是20世紀30年代荷蘭科學家JanOort與美國加州理工學院的瑞士天文學家弗里茨·茲威基等人。

弗里茨·茲威基觀測螺鏇星系鏇轉速度時,發現星系外側的鏇轉速度較牛頓重力預期的快,故推測必有數量龐大的質能拉住星系外側組成,以使其不致因過大的離心力而脫離星系。

星系與星系團觀測

子彈星系團是兩個星系團碰撞的產物。其中普通物質——高溫氣體(粉色,X射線波段)——會碰撞、損失能量、運動速度變慢。星系團中的暗物質(藍色,引力透鏡觀測)間相互作用很弱,可以彼此穿過。暗物質[宇宙學術語]

2006年,美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E0657-558進行觀測,無意間觀測到星系碰撞的過程,星系團碰撞威力之猛,使得暗物質與正常物質分開,因此發現了暗物質存在的直接證據。

雖然暗物質在宇宙中大量存在是一個普遍的看法,但是科學家們發現螺鏇星系NGC4736的鏇轉能完全依靠可見物質的引力來解釋,也就是說這個星系沒有暗物質或者暗物質很少。

宇宙微波背景輻射

宇宙微波背景輻射(cosmicmicrowavebackgroundradiation,簡稱CMB)最初發現於1964年。對於背景輻射的進一步觀測也支持這個理論,並給予了更多架構理論模型的條件。這些觀測中最著名的當屬宇宙背景探測者(COBE)。COBE觀測到2.726K的輻射溫度,以及在1992年第一次觀測到約十萬分之一的溫度起伏(各向異性)。

在20世紀90年代,第一峰值的量測上不斷提高敏感度。毫米波段氣球觀天計畫提出的報告指出,最大的譜密度波動發生在尺度約為一度角時,這些觀測足以排除宇宙弦作為宇宙結構形成的主因,而趨向於接受暴漲理論

組成及分類

組成

暗物質暗物質

雖然人們已經對暗物質作了許多天文觀測,其組成成份至21世紀初仍未能全然了解。早期暗物質的理論著重在一些隱藏起來的一般物質星體,例如:黑洞中子星、衰老的白矮星褐矮星等。這些星體一般歸類為暈族大質量緻密天體(MAssiveCompactHaloObjects,縮寫為:MACHOs)然而多年來的天文觀測無法找到足夠量的MACHOs。

一般認為,難以探測的重子物質(如MACHOs以及一些氣體)確實貢獻了部分的暗物質,但證據指出這類的物質只占了其中一小部分。而其餘的部分稱作“非重子暗物質”。此外,星系轉速曲線、引力透鏡、宇宙結構形成、重子在星系團中的比例以及星系團豐度(結合獨立得到的重子密度證據)等觀測數據也指出宇宙中85-90%的質量不參與電磁作用。這類“非重子暗物質”一般猜測是由一種或多種不同於一般物質(電子質子、中子、中微子等)的基本粒子所構成。

在眾多可能是組成暗物質的成分中,最熱門的要屬一種被稱為大質量弱相互作用粒子(英文叫做WeaklyInteractingMassiveParticle,簡稱WIMP)的新粒子了。這種粒子與普通物質的作用非常微弱,以致於他們雖然存在於我們周圍,卻從來沒有被探測到過。還有一種被理論物理學家提出來解決強相互作用中CP問題,被稱為軸子的新粒子,也很有可能是暗物質的成分之一。惰性中微子(sterileneutrino)也有可能是組成暗物質的一種成分。2014年6月22日,台大天文物理所闕志鴻研究團隊發表論文主張,暗物質也可能是一種稱為Ψ暗物質的極輕型粒子,其質量為電子的10-28倍,波長約為一千光年,而密度則為液態水的一百萬倍。

分類

歷史上,人們將可能的暗物質分為三個大類:冷暗物質、溫暗物質、熱暗物質。這個分類並非依照粒子的真實溫度,而是依照其運動的速率。

1、冷暗物質:在經典速度下運動的物質。

2、溫暗物質:粒子運動速度足以產生相對論效應。

3、熱暗物質:粒子速度接近光速。

雖然可以有第四個稱為複合暗物質(mixeddarkmatter)的分類,但是這個理論在1990年代由於暗能量的發現而被捨棄。

探測實驗

暗物質的探測在當代粒子物理及天體物理領域是一個很熱門的研究領域。對於大質量弱相互作用粒子來說,物理學家可能通過放置在地下實驗室,背景噪聲減少到極低的探測器直接探測WIMP,也可以通過地面或太空望遠鏡對這種粒子在星系中心,太陽中心或者地球中心湮滅產生的其他粒子來間接探測。人們也希望歐洲大型強子對撞機(LHC)或者未來的國際直線加速器中人工創造出這些新粒子來。

直接探測實驗

對於暗物質的直接探測實驗一般都這設定於地底深處,以排除宇宙射線的背景噪聲。這類的實驗室包括美國的Soudanmine和DUSE、加拿大的SNOLAB地下實驗室、義大利的大薩索國家實驗室(GranSassoNationalLaboratory)、英國的Boulbymine以及中國四川省錦屏山地下2500米世界最深暗物質試驗Pandax。

目前(21世紀初)大部分的實驗使用低溫探測器或惰性液體探測器。低溫探測器是在低於100mK的環境下探射粒子撞擊鍺這類的晶體接收器所產生的熱。惰性液體探測器則是探測液態或液態中粒子碰撞產生的閃爍。低溫探測實驗包括了CDMS、CRESST、EDEDWEISS及EURECA。惰性液體探測實驗包含了ZEPLIN、XENON、DEAP、ArDM、WARP、LUX和最深的Pandax。這兩種探測技術都能夠從其他粒子與電子對撞的噪聲中辨識出暗物質與核子的碰撞。其他種類的探測器實驗有SIMPLE和PICASSO。

間接探測WIMP。WIMP偶爾會撞上一個原子核。這一碰撞會散射原子核,進而使之和周圍的原子核發生碰撞。由此科學家可以探測到這些相互作用所釋放出的熱量和閃光。暗物質[宇宙學術語]

DAMA/NaI、DAMA/LIBRA實驗探測到一年性的事件數變化,並宣稱此現象是源自於暗物質。(隨著地球繞太陽公轉,探測器與暗物質的相對速度會做小幅度的變化。)目前(21世紀初)這個說法並未受到證實,同時也很難與其他實驗的結果不相衝突。

方向性的暗物質探測方式是運用太陽系繞行銀河系的運動。利用低壓TPC,我們可以得知反彈路徑的資訊,並藉此去了解WIMP與原子核的作用。從太陽行進方向入射的WIMP訊號可以從各向同性的背景噪聲中分離出來。這類的探測實驗包括有DMTPC、DRIFT、Newage和MIMAC。

2009年12月17日,CDMS的研究團隊發表了兩個可能的WIMP事件。他們估計這兩起事件來自已知背景訊號(中子、錯認的β射線或是伽馬射線)的可能性是23%,並作出了這樣的結論:“這個分析結果無法被視作WIMP的有力證據,但我們不能排除這兩起事件來自WIMP的可能性。”

CoGeNT實驗於2011年5月公布先前15個月的探測結果,顯示粒子的碰撞率呈現周期性變化,夏天較高而冬天比較低,這可以看作是暗物質存在的證據之一。這個結果支持已經進行了13年的義大利的DAMA/LIBRA暗物質探測實驗。CoGeNT的實驗結果顯示探測到的WIMP的質量是中子質量的5到10倍,這與其他的某些實驗不符,但是其他實驗對低能暗物質的探測精度沒有CoGeNT高。

間接探測實驗

暗物質的間接探測主要是觀測其兩兩湮滅時所產生的訊號。由於其湮滅所產生的粒子與其暗物質的模型有關,有許多種類的實驗被提出。假使暗物質是馬約拉那粒子,則兩個暗物質對撞會湮滅產生伽馬射線或正負粒子對。如此可能會在星系暈生成大量伽馬射線、反質子和正電子。實驗計畫PAMELA便是探測這類的訊號。然而在完全了解其他來源的背景噪聲以前,這類的探測不足以當作暗物質的決定性證據。

EGRET伽馬射線望遠鏡過去觀測到了超出預期量的伽馬射線,但科學家認為這多半是來自系統中的效應。自2008年6月11日開始啟動的費米伽馬射線太空望遠鏡則正在搜尋暗物質湮滅產生伽馬射線的事件。在較高能量區間,地上的MAGIC伽馬射線望遠鏡已經對矮橢球星系以及星系團中的暗物質給予了某些限制。

21世紀的前14年,國際上相繼開展了20多個暗物質探測實驗,利用暗物質和探測器的直接碰撞來尋找暗物質。特別是2014年前的幾年,義大利DAMA/LIBRA實驗,美國CoGeNT、CDMS實驗,以及德國CRESST實驗先後宣稱發現了疑似輕質量暗物質的信號,這些信號引起了科學界和公眾的強烈興趣。

觀測手段

阿爾法磁譜儀(AMS)阿爾法磁譜儀(AMS)

1、引力透鏡法;

2、鏇渦星系的鏇轉曲線;

3、星系中的恆星或星系團中的星系的速度彌散;

4、星系團(及橢圓星系)的X射線氣體的流體靜力學平衡方法;

5、星系團的蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應

替代理論

雖然暗物質是目前在解釋各種星系及星系團觀測結果上最熱門的理論,但目前仍沒有暗物質的直接觀測證據。有一些不包含大量不可探測物質(即暗物質)的替代理論也被提出來解釋這些現象。這些替代理論大致可分成引力理論的修正以及量子引力。兩者的區別在於引力理論的修正單純地只對星系或宇宙尺度的引力效應作出修正,而不考慮量子尺度的問題。然而兩者都主張牛頓愛因斯坦的理論並不完備,引力在不同的尺度會有不一樣的行為。

引力理論修正

引力理論修正(MOND)是對牛頓的萬有引力公式修正,以解釋星系自轉曲線等問題而替代暗物質。

量子引力

量子引力是一個熱門且廣泛的研究領域,有時它被稱作萬有理論。一般來說,它是指企圖統一引力以及量子力學的理論,這兩門物理至今未能被完全整合。圈量子引力、超弦理論以及其繼任的M理論皆屬於這類的理論。

量子真空

物理學家DraganSlavkovHajdukovic提出,量子真空中的虛引力偶極能被鄰近重恆星與星系中的重子物質引力極化(gravitationallypolarized)。當虛偶極排列時,它們能產生額外的引力場,能與恆星及星系所產生的引力場結合,在星系的鏇轉曲線上產生相同的“加速”效應。

分布畫圖

2007年1月,暗物質分布圖終於誕生了!經過4年的努力,70位研究人員繪製出這幅三維的“藍圖”,勾勒出相當於從地球上看,8個月亮並排所覆蓋的天空範圍中暗物質的輪廓。他們使出了什麼好手段化隱形為有形的呢?那可全虧了一項了不起的技術:引力透鏡

更妙的是這張分布圖帶給我們的信息。首先我們看到,暗物質並不是無所不在,它們只在某些地方聚集成團狀,而對另一些地方卻不屑一顧。其次,將星系的圖片與之重疊,我們看到星系與暗物質的位置基本吻合。有暗物質的地方,就有恆星和星系,沒有暗物質的地方,就什麼都沒有。暗物質似乎相當於一個隱形的、但必不可少的背景,星系(包括銀河系)在其中移動。分布圖還為我們提供了一次真正的時光旅行的機會……分布圖中越遠的地方,離我們也越遠。不過,背景中恆星所發出的光不是我們瞬間就能看到的,即使光速,每秒30萬公里,堪稱極致,那也需要一定的時間。因為這段距離得用光年來計算,1光年相當於10萬億公里。因此,如果你往遠處看,比如距離我們20億光年的地方,那你所看到的東西是20億年前的樣子而不是現在的樣子。就好像是回到了過去!明白了嗎?好,現在回到分布圖上,我們看到的是暗物質在25億~75億年前的樣子。那么在這個異常遙遠的年代,暗物質看上去是什麼樣子的呢?好像一碗麵糊。而離我們越近,暗物質就越是聚集在一起,像一個個的麵包丁。這張神奇的分布圖顯示,暗物質的形態隨著時間而發生著變化。更重要的是,這一分布圖為我們了解暗物質的現狀提供了一條線索。馬賽天文物理實驗室的讓-保羅·克乃伯(Jean-PaulKneib)參加了這張分布圖的繪製工作,他認為這種“麵包丁”的形狀自25億年以來就沒有很大改變,所以我們看到的也就是暗物質現在的形狀。那我們也在其中嗎?把所有的數據綜合起來再加上研究人員們的推測就可以在這鍋宇宙濃湯中找到我們自己的歷史。是的,是的……你可以把初生的宇宙構想成一個盛湯的大碗,湯里含有暗物質和普通物質……在這個碗裡出現了兩種相抗的現象:一方面是膨脹,試圖把碗撐大;另一方面是引力,促使物質凝聚成塊。結果,宇宙中的某些地方沒有任何暗物質和可見物質,而它們在另外一些地方卻異常密集:暗物質聚集在一起,星系則掛靠在暗物質上,就像掛在鉤子上的畫。但可惜的是,我們對暗物質究竟是什麼還是一無所知……美國科學家稱暗物質或許就存在於地球之上“暗物質”星系團,也被稱為“子彈星系團”,距離地球38億光年。通過研究這類星系團,科學家能夠測量出暗物質的不可見影響。據美國太空網報導,神秘的暗物質一直以來都是自然界的未解之謎,引起了科學家們的探索和爭論。

美國“低溫暗物質搜尋計畫”項目組科學家研究指出,暗物質或許就存在於地球之上。暗物質就因為它“模糊、隱晦”的特點而很難發現。事實上,科學家們也不知道究竟何為暗物質。由於暗物質既不釋放任何光線,也不反射任何光線,因此最強大的天文望遠鏡都無法直接探測到它。自20世紀70年代以來,科學家們根據對許多大型天體之間,如星系之間的引力效果的觀測發現,常規物質不可能引起如此大的引力,因此暗物質的存在理論被廣泛認同。根據科學家們的理論,暗物質通常也不會與大多數常規物質結合。有的觀點認為,暗物質能夠直接穿越地球、房屋和人們的身體。一些科學家已經開始在地下尋找暗物質粒子存在的證據。

美國明尼蘇達大學科學家安吉拉-雷塞特爾是“低溫暗物質搜尋計畫”項目組成員之一。雷塞特爾表示,“就在我們的周圍,存在一種暗物質流。每時每刻都存在一種互動。”她是在近期舉行的美國物理學會一次會議上發表這一理論的。

在最新一期《科學快訊》雜誌上,雷塞特爾和同事們發表論文聲稱,他們最近發現了兩起事件,這些事件可能就是由暗物質撞擊探測器所引起的。雷塞特爾表示,“我們此前的探測結果從來沒有如此發現,這是首次。”“低溫暗物質搜尋計畫”位於明尼蘇達州地下大約700米的一個礦井中。因此,礦井可以阻止其他任何物質抵達實驗設備,除了暗物質。這樣宇宙射線和其他粒子可能會與暗物質粒子混淆的可能性已基本被排除。探測器本身也主要是由鍺元素或矽元素組成的曲棍球形狀的小塊。如果鍺或矽原子的原子核被暗物質粒子擊中,它就會反彈並向探測器傳送一個信號。科學家發現,宇宙中的暗物質與一些小型的臨近星系密切相關。這些星系只有數顆恆星,但它們的質量卻是這些恆星單獨質量的一百倍。這種隱藏的物質就被科學家稱作暗物質。然而,研究人員也無法完全確定他們所探測到的兩個信號究竟是由暗物質粒子還是由其他粒子引起的。這兩個信號太少,因此科學家們也無法確定。據科學家介紹,他們的計算曾經預測到背景可能會引起一次假事件。“低溫暗物質搜尋計畫”將繼續進行他們的實驗以期發現更多實質性的信號。地球上另一項探尋暗物質的嘗試聚焦於強大的粒子加速器,這類加速器可以將亞原子粒子加速到接近光速,然後讓它們相互碰撞。科學家們希望通過這種難以置信的高速碰撞從而產生奇異粒子,其中包括暗物質粒子。然而,即使採用最強大的粒子加速器,至今也未能發現暗物質的任何跡象。美國馬里蘭大學科學家薩拉-恩諾表示,“你也許會問為什麼會這樣,為什麼組成宇宙大部分的物質粒子為什麼在我們的加速器中從來沒有發現過。”原因之一可能就是他們的加速器還沒達到足夠強大。科學家們也無法確定暗物質粒子究竟有多大,有多重,以及究竟需要多大的能量才能夠在實驗室中發現它們。或許在任何加速器中都無法找到暗物質粒子。恩諾表示,“我們或許不知道這樣一個事實,那就是暗物質粒子是我們無法製造或探測到的粒子。”現在,最大的希望就寄託於新型的粒子加速器大型強子對撞機身上。恩諾表示,“大型強子對撞機或許會最終讓我們獲得足夠的能量以產生暗物質粒子,並在撞擊中發出它們。”恩諾也是大型強子對撞機緊湊型μ子螺鏇型磁譜儀實驗項目組成員之一。

候選物質

暗物質暗物質

長久以來,最被看好的暗物質僅僅是假說中的基本暗性粒子,它具有壽命長、溫度低、無碰撞的特殊特性。溫度低意味著在脫耦時它們是非相對論性粒子,只有這樣它們才能在引力作用下迅速成團。壽命長意味著它的壽命必須與現今宇宙年齡相當,甚至更長。由於成團過程發生在比哈勃視界(宇宙年齡與光速的乘積)小的範圍內,而且這一視界相對宇宙而言非常的小,因此最先形成的暗物質團塊或者暗物質暈比銀河系的尺度要小得多,質量也要小得多。隨著宇宙的膨脹和哈勃視界的增大,這些最先形成的小暗物質暈會合併形成較大尺度的結構,而這些較大尺度的結構之後又會合併形成更大尺度的結構。其結果就是形成不同體積和質量的結構體系,定性上這是與觀測相一致的。相反的,對於相對論性粒子,例如中微子,在物質引力成團的時期由於其運動速度過快而無法形成我們觀測到的結構。因此中微子對暗物質質量密度的貢獻是可以忽略的。在太陽中微子實驗中對中微子質量的測量結果也支持了這一點。無碰撞指的是暗物質粒子(與暗物質和普通物質)的相互作用截面在暗物質暈中小的可以忽略不計。這些粒子僅僅依靠引力來束縛住對方,並且在暗物質暈中以一個較寬的軌道偏心律譜無阻礙的作軌道運動。

低溫無碰撞暗物質

低溫無碰撞暗物質(CCDM)被看好有幾方面的原因。第一,CCDM的結構形成數值模擬結果與觀測相一致。第二,作為一個特殊的亞類,弱相互作用大質量粒子(WIMP)可以很好的解釋其在宇宙中的豐度。如果粒子間相互作用很弱,那么在宇宙最初的萬億分之一秒它們是處於熱平衡的。之後,由於湮滅它們開始脫離平衡。根據其相互作用截面估計,這些物質的能量密度大約占了宇宙總能量密度的20-30%。這與觀測相符。CCDM被看好的第三個原因是,在一些理論模型中預言了一些非常有吸引力的候選粒子。

中性子

其中一個候選者就是中性子(neutralino),一種超對稱模型中提出的粒子。超對稱理論是超引力和超弦理論的基礎,它要求每一個已知的費米子都要有一個伴隨的玻色子(尚未觀測到),同時每一個玻色子也要有一個伴隨的費米子。如果超對稱依然保持到今天,伴隨粒子將都具有相同質量。但是由於在宇宙的早期超對稱出現了自發的破缺,於是今天伴隨粒子的質量也出現了變化。而且,大部分超對稱伴隨粒子是不穩定的,在超對稱出現破缺之後不久就發生了衰變。但是,有一種最輕的伴隨粒子(質量在100GeV的數量級)由於其自身的對稱性避免了衰變的發生。在最簡單模型中,這些粒子是呈電中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候選者。如果暗物質是由中性子組成的,那么當地球穿過太陽附近的暗物質時,地下的探測器就能探測到這些粒子。另外有一點必須注意,這一探測並不能說明暗物質主要就是由WIMP構成的。實驗還無法確定WIMP究竟是占了暗物質的大部分還是僅僅只占一小部分。

軸子

另一個候選者是軸子(axion),一種非常輕的中性粒子(其質量在1μeV的數量級上),它在大統一理論中起了重要的作用。軸子間通過極微小的力相互作用,由此它無法處於熱平衡狀態,因此不能很好的解釋它在宇宙中的豐度。在宇宙中,軸子處於低溫玻色子凝聚狀態,已經建造了軸子探測器,探測工作也正在進行。

研究進展

國外探測發現

美國科學家在地下廢棄鐵礦中捕獲暗物質粒子

低溫暗物質搜尋項目(CDMS),旨在使用探測器探測粒子間的互動,找到暗物質粒子引起的運動。美國科學家在位於加利福尼亞大學校園的隧道里的實驗室2009年檢測到了兩種可能來自於暗物質粒子的信號。但他們同時表示,這些信號與暗物質粒子的相似度不高。他們在明尼蘇達州的Souden煤礦地下約714米處安裝更高級的實驗室設備,以進行二期低溫暗物質搜尋項目(CDMSⅡ)。暗物質現象會被進入地球的宇宙射線干擾,要減少宇宙射線μ介子粒子的背景信號影響,唯一的辦法是到地底深處,這樣才有把握確認暗物質的構成。

暗物質暗物質

2009年12月21日,科學家在Souden煤礦中發現暗物質,這是迄今為止最有力的發現暗物質證據。

其他實驗也在探尋來自暗物質的信號,比如地下氙(Lux)實驗。美國費米太空望遠鏡則試圖定位暗物質,尋找其在空間湮沒(暗物質發生碰撞時,兩個粒子將生成可以被探測器接收到的γ射線)的證據,但目前沒有任何發現。

2012年2月底,美國科學家稱,他們通過一種最新的理論研究發現,地球和月球之間其實隱藏著大量神秘的暗物質。

科學家稱首次探測到暗物質

2012年7月7日,德國慕尼黑大學天文台的約爾格·迪特里希及其研究團隊已探測到一個超星系團的絲狀物中的暗物質成分。這個超星系團名為“阿伯爾222/223”,距地球約27億光年。

巨大的絲狀物產生的引力使得從地球發射至遙遠星系的光束髮生彎曲。迪特里希的研究團隊利用這種光束,計算出“阿伯爾222/223”超星系團絲狀物的質量並繪製出它的形狀。附近正常物質的熾熱氣體發出的X射線表明,正常物質是該超星系團絲狀物的組成部分,但僅占其質量的10%。其餘部分一定是暗物質。迪特里希說,這表明這些絲狀物是“將宇宙中的星系團連線在一起的暗物質網路的一部分”。

脈衝星或是人們一直尋找的暗物質

人類對暗物質的理解和檢測實現新進展。日內瓦時間2013年4月3日下午5點(台北時間2013年4月4日零點),諾貝爾物理獎獲得者丁肇中教授在日內瓦歐洲核子中心,首次公布其領導的阿爾法磁譜儀(AMS)項目18年之後的第一個實驗結果——已發現的40萬個正電子可能來自一個共同之源,即脈衝星或人們一直尋找的暗物質。

至2013年,尋找暗物質粒子、研究暗能量的物理本質、探索宇宙起源及演化的奧秘、結合粒子物理和宇宙學的研究已成為21世紀天文學和物理學發展的一個重要趨勢。諾貝爾物理學獎獲得者李政道教授曾多次指出:“暗物質是籠罩20世紀末和21世紀初現代物理學的最大烏雲,它將預示著物理學的又一次革命。”

暗物質不發光,也就是不發出電磁波,所以看不見,但與通常物質一樣,暗物質有引力作用。這個引力效應讓天文學家在宇宙空間發現暗物質占宇宙的23%,另外73%是暗能量。而組成我們身邊這個世界的常規物質只占4%。雖然人們早已經猜測到暗物質可能存在,但一直以來從未明確探測到暗物質粒子,因此,還不能確定暗物質的性質。

丁肇中團隊使用的阿爾法磁譜儀(AMS),是安置於太空中的精密粒子探測裝置,是至2013年以來靈敏度最高,也是最複雜、最昂貴的一台暗物質探測設備,代表了當今科學實驗的最高技術手段,由16個國家和地區的600餘名科學家歷時近18年完成,耗資21億美元,實驗過程可能持續15至20年。

暗物質分布圖

2007年1月,經過4年的努力,70位研究人員繪製出這幅三維的“藍圖”,勾勒出相當於從地球上看,8個月亮並排所覆蓋的天空範圍中暗物質的輪廓。在這張圖中,暗物質並不是無所不在,它們只在某些地方聚集成團狀,而對另一些地方卻不屑一顧。其次,將星系的圖片與之重疊,我們看到星系與暗物質的位置基本吻合。有暗物質的地方,就有恆星和星系,沒有暗物質的地方,就什麼都沒有。暗物質似乎相當於一個隱形的、但必不可少的背景,星系(包括銀河系)在其中移動。分布圖還為我們提供了一次真正的時光旅行的機會……分布圖中越遠的地方,離我們也越遠。不過,背景中恆星所發出的光不是我們瞬間就能看到的,即使光速(每秒30萬公里)堪稱極致,那也需要一定的時間。因為這段距離得用光年來計算,1光年相當於10萬億公里。因此,如果你往遠處看,比如距離我們20億光年的地方,那你所看到的東西是20億年前的樣子而不是所看到這一時刻的樣子。就好像是回到了過去。在分布圖上,我們看到的是暗物質在25億~75億年前的樣子。

丁肇中公布最新研究成果顯示暗物質可能存在

新華網日內瓦2014年9月18日訊息,諾貝爾獎得主、美籍華人物理學家丁肇中18日公布阿爾法磁譜儀項目最新研究成果,進一步顯示宇宙射線中過量的正電子可能來自暗物質。

中國研究進展

中國首個極深地下實驗室——“中國錦屏地下實驗室”於2010年12月12日在四川雅礱江錦屏水電站揭牌並投入使用,錦屏地下實驗室垂直岩石覆蓋達2400米,是當前世界岩石覆蓋最深的實驗室。它的建成標誌著中國已經擁有了世界一流的潔淨的低輻射研究平台,能夠自主開展像暗物質探測這樣的國際最前沿的基礎研究課題。清華大學實驗組的暗物質探測器已經率先進入實驗室,並啟動探測工作,而2012年上海交通大學等研究團隊也將進入這裡開展暗物質的探測研究。

2014年8月24日,以中國科學家為主導的大型暗物質探測實驗組PandaX,在上海交通大學發布了實驗組使用120公斤級液氙探測器所獲得的首批數據。實驗組宣布,探測至今尚未發現任何暗物質的事例。這個測量結果和其它一些實驗所發現的輕質量暗物質疑似信號不兼容,對以往實驗中所有發現的疑似信號提出了強烈質疑。

PandaX(熊貓計畫)是“粒子和天體物理氙探測器”(ParticleandAstrophysicalXenonDetector)的英文簡寫,是中國開展的首個百公斤級大型暗物質實驗。該實驗由上海交通大學牽頭,包括中、美兩國40多位研究人員,利用在空氣中提純的惰性元素氙作為探測媒介來尋找暗物質。經過自今年5月開始的一個多月時間運行,證實該實驗組設計和研製的120公斤級液氙探測器的靈敏度已經達到世界先進水平,因而能夠對至今為止所有疑似暗物質探測實驗所獲得的數據信號進行高精度的驗證,這也標誌著中國在暗物質探測這個前沿科學領域跨進世界先進行列。

物理和天文學家通過大量的天文觀測推斷出,宇宙中有大約27%的成分由一種有質量卻與普通物質沒有電磁和強相互作用的暗物質組成,在銀河系裡,暗物質比熟知的普通物質多了20倍以上。暗物質的本性之謎被普遍認為是21世紀物理和天文學中最具挑戰性的問題之一。

2015年5月13日,由北京師範大學天文系教授張同傑領銜的宇宙中微子數值模擬團隊,在“天河二號”超級計算機系統上,日前成功完成3萬億粒子數的宇宙中微子和暗物質數值模擬,揭示了宇宙大爆炸1600萬年之後至今約137億年的演化進程。

相關詞條

相關搜尋

熱門詞條