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暗物质最有力的证据是什么?有哪些候选粒子?

迄今为止,暗物质存在最有力的证据

现在我们看到的这张图片是暗物质存在最好的证据了,是人们在2006年发现的,图中显示了两个星系团碰撞以后的场景,那为什么星系团的碰撞就可以让神秘的暗物质现身呢?且听我慢慢道来。

我们知道在宇宙中存在着数以千亿计的星系团,在小一些的星系团中一般有几百个成员星系,大一点的星系团有数千个成员星系。

每个星系团的物质分布,跟单个星系的物质分布有点类似,中心区域的星系能够密集一些,而且几乎都是大型椭圆星系,那么越往星系团的边缘,星系的分布越稀疏,而且都是体量比较小的螺旋星系。

除了有星系以外,在星系团中还有两类物质,上节课我们已经说过了,一个是等离子体,也叫暖热星系际介质,一类叫中性气体,也叫冷星系际介质。

它们大量地弥散在星系团的内部,也就是星系之间,总的质量比恒星物质大了7倍作用,是星系团中主要的引力源。

如果我们现在承认,在星系团中还有5倍于普通物质的暗物质的话,这些暗物质不仅会弥散在星系的周围,它们也会弥散在星系团的周围,并且会围绕着星系团形成一个巨大的暗物质晕轮。

现在我们看到的是这张照片是哈勃太空望远镜拍摄到的四个星系团,通过可见光我们就能知道星系团中发光物质的分布情况,然后我们通过引力微透镜就能知道星系团的引力分布情况,如果我们认为星系团中有5倍于普通物质的暗物质,那么我们就能够知道暗物质的分布情况,图中粉红色的区域就是星系团周围弥散的暗物质晕,要比星系团大了很多。

假如现在我们让两个星系团发生碰撞,你觉得会发生啥事?我觉得要考虑三个方面的因素,星系团中的恒星物质、星系团中的气体物质,星系团中的暗物质。

先说恒星物质,恒星存在于星系当中,一般我们看到的星系是这样的,感觉星系中的物质相当的稠密,要是星系发生了碰撞,其中所有的物质肯定都会搅在一起,变成一锅粥。

其实并不是这样的,恒星虽然很大,平均来说直径有1000万公里,但星系更大,比如银河系直径10万光年,就算是银河系中有2000亿颗恒星,那它们的分布也是非常稀疏的,比如距离太阳最近的恒星也足有4光年。所以恒星跟它们之间的距离比起来简直就像是一颗尘埃一样。

因此就算是两个星系直直地撞在一起,其中大部分的恒星都不会发生碰撞,而是会互相从它们的空间中穿过,只有少量的恒星会装在一起。

那么星系团也一样,如果一个星系团中有数千个星系,假如星系团相撞的话,由他的尺度也很大,所以也只有很少很少的星系会撞在一起,绝大部分的星系都会相安无事的擦肩而过。

这就好比两个人拿着霰弹枪对射一样,射出来的子弹绝大部分都会互相穿过,只有极小的几率子弹碎片会撞在一起。

总结起来就是,要是两个星系团相撞的话,其中恒星物质不会发生相互作用,会很容易地穿过对方。

接下来我们说,弥漫在星系团周围和内部的气体,很容易能够想到,气体物质包括等离子体在内,跟稀疏的恒星物质肯定不一样,即使气体物质很稀薄,当两个星系团高速相撞的时候,其中的气体会发生充分的相互作用,会将动能转化为热能,并且释放出强烈的X射线。

所以,当星系团相撞以后,我们就可以在X射线波段看到,星系团中的气体物质会明显的滞后于恒星物质的运动。

最后我们说下暗物质,暗物质跟气体物质一样,也是大量地弥散在星系团的内部和周围,当然它们要比气体物质的分布更加广泛,区别在于当两个星系团相撞的时候,暗物质和气体物质的表现不一样。

它们不会和普通物质撞在一起,也不会和自己撞在一起,因为暗物质没有电磁相互作用,因此两个星系团相撞以后,暗物质它不会升温,也不会发光,也不会减速。它们跟恒星物质一样,会更加地轻松穿过对方。

现在我们看到的图片就展示了粉红色的气体物质和蓝色的暗物质,在碰撞中的不同表现,很明显可以看到由于气体物质的相互作用,它们的运动会滞后暗物质。

正因为这个差异的存在,就可以让我们辨别星系团中是不是有暗物质存在,你看,是这样的,我们知道气体物质的质量比恒星物质大了7倍,暗物质的质量比所有普通物质大了5倍。

那么如果暗物质不存在的话,星系团相撞以后,引力的主要区域就跟气体物质的区域应该是一致的,如果暗物质存在,星系团碰撞以后,引力的主要区域就会跟恒星的位置一致。

如果我们现在在宇宙中能够找到刚刚发生碰撞不久的星系团,通过X射线观察,我们就能确定碰撞以后气体的物质,然后通过弱引力透镜,就能看出碰撞以后,引力的主要区域在哪里。

如果两个位置一致,也就是气体云的位置就是引力的主要位置,就说明没有暗物质,如果两个位置不一致,就说明存在不发生电磁相互作用的暗物质。

其实找这个东西并不难,毕竟宇宙的星系团数量很多,就是2006年的时候,科学家就发现了一个刚刚发生碰撞不久的星系团,叫子弹星系团。

通过X射线观察,以及弱引力透镜的分析,我们发现碰撞以后的子弹星系团,它的主要引力区域,跟气体位置发生了错位,因为我们就认为星系团中存在暗物质。

其实就是我们开篇看到的那张图片,其中分红的区域就是气体的位置,蓝色的区域就是引力集中的区域,可以看出,引力比较大的地方就是一些发光的恒星物质,但是物质的质量比气体小了很多,所以我们只能认为在恒星区域有我们看不到的暗物质,产生了巨大的引力。

所以说,这个发现就成为了暗物质存在的最有力的证据了。那么在往后的发展中,我们也看到了其他星系团碰撞以后的情况,都有力的表明了,子弹星系团的现象并非个例。

现在我们看到的是四个星系团碰撞以后的情况,有些星系团碰撞的时间只有几亿年,有些是20亿年前发生的碰撞,都可以看到光学信号和引力信号出现了位置偏差。这样的例子还有很多,比如下面这些星系团。

每一个都说明了暗物质的真实存在,并不是人类的胡思乱想。所以接下来的问题是,暗物质到底是啥?它都具有哪些性质?为什么我们找不到它?

现在我们认为暗物质是不存在于标准模型中一种尚未被发现的新型粒子,它的性质其实跟中微子有点像,没有电磁相互作用,没有强相互作用,只有很弱的弱相互作用和引力相互作用。

在以前我们也把中微子当作了暗物质粒子的候选粒子,不过事实证明,中微子并不是暗物质粒子,虽然它们的数量很多,跟微波背景辐射中光子的数量差不多,但是中微子的质量很小,我们知道目前有三种类型的中微子,包括电子中微子、μ子中微子、τ子中微子,我们不管这三种中微子它们的质量分别是多少,只要它们三个的质量加起来有11.2 eV。

那暗物质的问题就解决了,我们就可以认为,为星系提供额外引力的物质就是中微子,其实11.2 ev的质量并不高,你知道电子的质量是多少?51万 eV,这可是宇宙中第二轻的粒子。

所以说,我们对中微子的要求并不高,但是通过微波背景辐射以及中微子振荡,我们发现三种中微子的质量上限为0.18 eV,下限为0.06eV。

这差得很远,因此中微子不能解释质量缺失的问题。那中微子不行,标准模型中的其他粒子更不行,它们不是具有电磁相互作用,比如夸克和带电轻子,就是因为不稳定,比如一些重玻色子,所以都不能称为暗物质的候选粒子。

因此我们必须假设一种新粒子,它们没有电磁相互作用、有质量、稳定、冷。这里说的冷的意思是,这种粒子的动能要远低于自身的静止质量,或者说,这种粒子的静止质量至少要大于电子的2%。

这就是我们所说的冷暗物质模型,在冷暗物质模型中,有两种类型的候选粒子,一种是弱相互作用大质量粒子,简称WIMP,它们随着大爆炸跟普通物质一起诞生 。

另外一种类型的粒子跟上面说的性质基本上一样,只不过诞生的时间不同,它们没有跟普通物质一起诞生,而是在宇宙降温的过程中,因为发生了力的对称性破缺,所以一些粒子就衰变产生了暗物质粒子。这种类型的粒子被称为轴子。

当然还有一些其他的暗物质模型,以及候选粒子。不过,到今天为止,我们依旧没有发现任何暗物质粒子存在的信号,连一点蛛丝马迹都没有找到,但大量的证据又表明了宇宙中有质量缺失。所以说,不出意外的话,暗物质还真就成为了累世难解的谜题。

好了,今天的内容就到这里,除了暗物质这个难题以外,我们还有暗能量,这是我们下节课的内容。