在宇宙学中,暗物质是指那些自身不发射电磁辐射,人类无法通过现有的任何观测工具来直接观测到它们,只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。
暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、天文观测和膨胀宇宙论研究表明:宇宙的密度可能由约70%的暗能,5%的发光和不发光物体,5%的热暗物质和20%的冷暗物质组成。
天文学家推测,宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量,暗物质占宇宙25%,暗能量占70%,通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。因此,探测和研究暗物质很可能导致物理学界新的革命。
2011年5月,意大利暗物质探测无果,该研究结果质疑其它发现暗物质的结果。
2014年9月20日,山东大学召开了程林教授记者见面会,通报了程林教授团队与诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中合作的阿尔法磁谱仪(AMS)项目重大成果,该成果有可能证明暗物质确实存在。
中文名 暗物质
外文名 Dark matter
发现者 弗里兹·扎维奇
质 量 宇宙的90%
1简介
暗物质(Dark Matter):暗物质是一种比电子和光子还要小的物质,不带电荷,不与电子发生干扰,能够穿越电磁波和引力场。暗物质的密度非常小,但是数量庞大,充满整个宇宙,因此它的总质量很大。暗物质与暗能量被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题,它们代表了宇宙中90%以上的物质含量,而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到(约5%)。暗物质无法直接观测得到,但它却能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。
1932年,暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物,但是我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质还是个谜。
2发现证据
大约65年前,第一次发现了暗物质存在的证据。当时,弗里兹·扎维奇发现,大型星系团中的星系具有极高的运动速度,除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上,否则星系团根本无法束缚 住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知,但是到了80年代,占宇宙能量密度大约20%的暗物质已被广为接受了。
在引入宇宙膨胀理论之后,许多宇宙学家相信我们的宇宙是一个平行的空间,而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的(这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的)。与此同时,宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙,其中能量密度都以物质的形式出现,包括4%的普通物质和96%的暗物质与暗能量。但事实上,观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差,但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值,而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。
不过,我们忽略了极为重要的一点,那就是暗物质促成了宇宙结构的形成,如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星,更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性,但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团以及星系长城。而在大尺度上能够促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力,因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落,而这些涨落会在宇宙微波背景(CMB)中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹,因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。
另一方面,不与辐射耦合的暗物质,其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后,已经成团的暗物质就开始吸引普通物质,进而形成了我们观测到的结构。这需要一个初始的涨落,但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质,由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。
在开始阐述这一模型的有效性之前,必须先交待一下其中一件重要的事情。 对于先前提到的小扰动(涨落),为了预言其在不同波长上的引力效应,小扰动谱必须具有特殊的形态。为此,最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说,如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和,那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。“大爆炸”初期暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱(其谱指数n=1)。WMAP的观测结果证实了这一预言。
但是如果我们不了解暗物质的性质,就不能说我们已经了解了宇宙。我们已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的,暗物质中的绝大部分还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者,由其导致的结构形成,以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。
最早提出证据并推断暗物质存在的科学家是美国加州工学院的瑞士天文学家弗里兹·扎维奇。
2006年,美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-56进行观测,无意间观测到星系碰撞的过程,星系团碰撞威力之猛,使得黑暗物质与正常物质分开,因此发现了暗物质存在的直接证据。
3 最新研究
2013年4月,当地时间3日,诺贝尔奖获得者、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪项目团队宣布的成果,让人类在认识暗物质的道路上迈出重要一步。丁肇中团队借助阿尔法磁谱仪已发现40万个正电子,这些正电子可能来自人类一直寻找的暗物质(正电子是反物质,和暗物质是完全不同的概念)。
丁肇中团队的报告当天发表在《物理评论快报》上。这份著名的学术刊物同时刊发署名评论说,新成果具有“史无前例的灵敏度”,尽管还不能排除其他可能性,但它“强烈暗示”人们已捕捉到了暗物质的痕迹。
美国航天局局长查尔斯·博尔登3日也发表声明说,阿尔法磁谱仪首批研究成果“将有助于促进对基础物理学和天体物理学领域新的理解”,“我们期盼更多来自这一项目的令人激动的成果”。
2014年9月20日,山东大学召开了程林教授记者见面会,通报了程林教授团队与诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中合作的阿尔法磁谱仪(AMS)项目重大成果,该成果有可能证明暗物质确实存在。
北京时间2014年9月18日,程林教授团队与丁肇中合作的AMS项目重大成果发布会在瑞士日内瓦举行,丁肇中主持的实验室公布AMS项目最新研究成果,宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质。丁肇中特委托山东大学程林教授在国内发布有关成果。
2014年9月20日上午,程林教授表示,这一研究结果将人类对暗物质的探索向前推进一大步。在已完成的观测中,证明暗物质存在实验的6个有关特征中,已有5个得到确认。
4组成成分
虽然人们已经对暗物质作了许多天文观测,其组成成份至今(2011年)仍未能全然了解。早期暗物质的理论重在一些隐藏起来的一般物质星体,例如:黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。这些星体一般归类为晕族大质量致密天体 (MAssive Compact Halo Objects,缩写为:MACHOs),然而多年来的天文观测无法找到足够量的MACHOs。
渺中子湮灭产生次级粒子。当两个渺中子发生碰撞就会产生夸克、轻子和玻色子,它们又会通过低能光子、γ射线和衰变过程产生正电子、电子、中微子、反质子和质子。 一般认为,难以探测的重子物质(如MACHOs以及一些气体)确实贡献了部分的暗物质,但证据指出这类的物质只占了其中一小部分。而其余的部分称作“非重子暗物质”。此外,星系转速曲线、重力透镜、宇宙结构形成、重子在星系团中的比例以及星系团丰度(结合独立得到的重子密度证据)等观测数据也指出宇宙中85-90%的质量不参与电磁作用。这类“非重子暗物质”一般猜测是由一种或多种不同于一般物质(电子、质子、中子、中微子等)的基本粒子所构成。
在众多可能是组成暗物质的成分中,最热门的要属一种被称为大质量弱相互作用粒子(英文叫做Weakly Interacting Massive Particle,简称WIMP )的新粒子。这种粒子与普通物质的作用非常微弱,以致于他们虽然存在于我们周围,却从来没有被探测到过。
还有一种被理论物理学家提出来解决强相互作用中CP问题,被称为轴子的新粒子,也很有可能是暗物质的成分之一。惰性中微子(sterile neutrino)也有可能是组成暗物质的一种成分.
5理论模型
历史上,人们将可能的暗物质分为三个大类:冷暗物质、温暗物质、热暗物质。 这个分类并非依照粒子的真实温度,而是依照其运动的速率。
冷暗物质:在古典速度下运动的物质。
温暗物质:粒子运动速度足以产生相对论效应。
热暗物质:粒子速度接近光速。
虽然可以有第四个称为复合暗物质(mixed dark matter)的分类,但是这个理论在20世纪90年代由于暗能量的发现而被舍弃。
暗物质 - 探测实验
暗物质的探测在当代粒子物理及天体物理领域是一个很热门的研究领域。对于大质量弱相互作用粒子来说,物理学家可能通过放置在地下实验室,背景噪声减少到极低的探测器直接探测WIMP,也可以通过地面或太空望远镜对这种粒子在星系中心,太阳中心或者地球中心湮灭产生的其他粒子来间接探测。