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中微子是暗物质吗?宇宙中到底有多少暗物质,地球附近有吗?

现在科学界比较准确的说法是,宇宙总质能中,只有4.9%的可见物质。也就是我们看得见的星系、星云尘埃、恒星、行星等只占宇宙总质能的4.9%,还有95.1%,是26.8%的暗物质和68.3%的暗能量。

这样说来,可见物质和暗物质占宇宙质能比重加起来就是31.7%,但暗物质一般划归为物质,暗能量划归为能量。这样暗物质就与可见物质一起属于物质范畴,因此,在宇宙中物质质量的比重是,暗物质占84.5%,可见物质占15.5%。

既然暗物质是可见物质的近5.5倍,而且是很微小的物质,这样在宇宙中当然就到处弥漫无所不在了。我们地球上当然也有,而且一伸手就接触或穿越了无数暗物质粒子,也可以说这个世界任何物质都浸泡在暗物质海洋中,只不过我们感觉不到而已。

中微子是暗物质吗?

刚开始发现中微子时,曾经有人以为找到暗物质了。不过高兴得有点早,后来发现中微子还是有迹可循。

中微子也是几乎不与任何物质发生作用,因此我们的身体每时每刻,不管是醒着还是睡着,每秒钟都有来自太阳的约1000万亿个中微子穿越身体,我们毫无感觉。中微子穿越地球都毫不费力,因此穿越我们身体毫无感觉就一点也不奇怪了。

但中微子并非完全隐形,夜路走多了还是会留下点蛛丝马迹。研究发现,在100亿个中微子中,会有一个中微子与物质发生作用,这就给人类捕捉这个精灵留下了把柄。

要知道,人体每秒钟都有1000万亿个中微子穿越,也就是说有每秒有10万个中微子会与身体里的亚原子粒子发生作用,每秒钟有10万次反应还不好查?

且慢,没那么容易,要知道中微子是比电子还小,体积接近光量子的极微小粒子,即便与物质发生作用能量也是极其微弱的,而且在宇宙空间有各种各样的宇宙射线和粒子袭击我们以及地表物体,甚至可以穿越较深底层,如何辨别这些微弱反应是中微子呢?

于是人们想了个办法,将中微子探测装置埋在了地层深处,一般深达1000米以上。在这种深处,一般带电粒子早就会与其他物质发生反应,其他的宇宙辐射就完全过滤掉了。而中微子可以任意穿越地球,因此再深对它都毫无影响。

即便如此,要找到中微子也是很困难的,因为中微子只参与非常微弱的弱相互作用和引力相互作用,与物质的交互作用太微弱了。人们只能采用大海捞针和间接的方法来探测,比如超级神冈探测器。

这是日本和美国合作的一个项目,由120名研究人员共同维护监测。中微子探测装置安装在深达1千多米一座废弃的锌矿坑中,这里设置了一个巨大水池,装有5万吨水,周围放置了1.3万个光电倍增管探测器。

由于水中氢原子数量极其巨大,当大量中微子通过这个水槽时,撞击到氢原子的几率很高,这种撞击被周围的光电倍增管捕获、放大,并转换成数字信号送入计算机,科学家们就可以分析了。

世界上许多国家,包括中国都建立了中微子研究探测机构,这些探测方法多种多样,有在太空的,有在湖底的,还有在南极厚厚冰层下面的(上图)。通过这种大海捞针,天罗地网的大量探测与实验,中微子终于现了形,人们知道中微子有三种,即电子中微子、μ(缪子)中微子和τ(陶子)中微子。

虽然中微子依然还有许多谜团尚未解开,但随着中微子研究的深入,也就越来越证明中微子并非暗物质,且相比暗物质,中微子在宇宙中所占比重太小了,只占宇宙总质能的0.0034%,有点像地球在太阳系里的比重。相对暗物质比重26.8%,差距太大。

那么暗物质到底是什么,既然看不见摸不着,为啥又会被科学家坚定地认为其存在呢?

暗物质存在的证据

我们看不到摸不着暗物质,是因为暗物质不带电,不参与任何物质作用,就无法显形。也正是暗物质不显形,也不参与各种物质相互作用,包括光子,因此不会影响人们对遥远天体的观测。

那么为什么科学家们又那么肯定暗物质存在呢?这是因为人们发现暗物质唯一参与的作用是引力,也就是说暗物质有引力作用,这样它就露出了马脚。

我们都知道,引力大小是与质量成正比,与距离平方成反比的,根据牛顿万有引力定律F=GMm/r^2的公式,我们就可以计算出一个天体乃至一个星系的引力大小。而天体运行是遵循引力定律的,但科学家们很早就发现,星系或星团的运动状态,完全不是可见物质的引力规律能够解释的。

1922年,天文学家卡普坦就通过星体系统运动,间接推断出星体周围可能存在不可见物质;1933年,天体物理学家兹威基利用光谱红移法,测量了后发座星系团中各个星团的运动速度和状态,发现星系运动速度弥散度太高,如果仅靠看得见的星系质量产生的引力是无法将这些星系束缚在星系团中的,这些星系团将分崩离析。

由此断定星系团中存在着大量的暗物质,其质量是可见星系团的至少百倍以上。

后来的许多天体研究都支持了这种说法,越来越多的观测证据,包括引力透镜、微波背景辐射的各向异性、星系团中炽热气体温度分布状态等等,都支持了在看不见的空间,有某种物质起着重大作用,人们就把这种看不见摸不着但能够感觉到的物质,称为“暗物质”。

只有把这种假设“暗物质”填充进这些观测发现中,计算结果才会符合引力定律。这样,暗物质理论越来越被全世界天文学和宇宙学界认可。

暗物质分布

暗物质是在宇宙中均匀分布还是不均匀分布呢?几十年来,天文学家们在不断探索了解这种宇宙主体物质的性质同时,也在力图绘制出它们在宇宙中的分布图。

现在这方面的成果很多,如发表在《天体物理学杂志》上的一项成果认为,通过“先进测绘照相机”对远方星系群观测,通过发现的引力透镜现象,显示出两个星系簇在暗物质的网络包围中,处于暗物质最密集的地方,就好比海浪顶端的泡沫。

2019年1月发表在英国《皇家天文学会月刊》的一篇论文,两位来自澳大利亚和西班牙天文学家,分析了基于哈勃太空望远镜的观测数据,得出一种探测星系团中暗物质的革命性新方法,可以通过星系团中某些微弱的光变,反映出暗物质的空间分布。

这些观测研究,都说明了暗物质在宇宙中的分布是不均匀的,尤其是在星系团和星系恒星密集的地方,暗物质更为集中。这也符合理论预测,因为如果暗物质真的是在宇宙中完全均匀分布,那就不会出现影响星系和星系团引力的现象了。

暗物质的存在当然比空气稀薄多了,但由于宇宙空间巨大,可见物质只占有其中极小一部分体积,空间绝大部分体积都是被暗物质填充,因此在大尺度宇宙空间,暗物质的质量远远超过可见物质。

这就是在一个星系或巨大星系团中,其引力远远超过可见物质应有引力的原因。引力让物质聚集收缩,因此暗物质的巨大引力克服了星系运动速度形成的弥散度,让一个个星系能够维持成团的样子。

暗能量和暗物质的博弈

在这些看不见的暗物质和暗能量中,暗能量主导着宇宙膨胀,暗物质主导着物质收缩,我们的宇宙就是在这种博弈中变化的。现在由于暗能量占据着主导力量,因此宇宙还在加速膨胀,这是如今天文学界的普遍共识。

相对于占据宇宙总质能68.3%的暗能量,暗物质的尺度又小多了。因此暗能量是基于更大宇宙尺度的力量,是作用于宇宙整体的力量;而暗物质则是在星系、星系团这种相对中等尺度上,发挥引力凝聚作用的。

而在一个恒星系统,如太阳系,或者一个行星系统,如地月系,可见物质的引力才占据主导地位,暗物质的作用就极小了,几乎可以忽略不计。这就是我们虽然沉浸在暗物质包围的海洋中,随手一挥都有无数个暗物质穿透我们,但我们毫无察觉的原因。

试想,连可以与物质发生极微量作用的中微子,我们都无法察觉,何况暗物质乎?

现在,探测和解开暗物质、暗能量之谜,是全世界科学界的重中之重。因为解开这个谜,对宇宙的过去和未来走向,乃至地球走向人类走向,都有着至关重要的作用。弄清楚这个宇宙规律,将是人类文明发展的一次重大突破和升级。

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