什么是暗物质?科学家是如何论证它的存在的? 暗物质是什么?天文学家是如何发现它的?

作者&投稿:武殃 (若有异议请与网页底部的电邮联系)

暗物质之所以被称为暗物质,是因为它不与电磁场相互作用,这意味着它不吸收、反射或发射电磁辐射,因此很难被探测到。现代天文学依靠引力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等方法和理论来探测暗物质。

暗物质简介

暗物质的主要证据来自计算结果,这些计算结果表明,如果没有大量看不见的物质,许多星系会飞离,或者它们甚至不会形成,也不会按照人们观测到的样子运行。简单来说,暗物质是基于计算和理论推导出来的,并没有被直接观测到。在标准的Lambda CDM宇宙学模型中,由普朗克卫星探测的数据得到,宇宙的构成,包含4.9%的常规物质,26.8%的暗物质和68.3%的暗能量。因此,暗物质占总质量的85%,而暗能量和暗物质占总质量和能量的95%。

                                                        被暗物质包围的地球(想象图)

暗物质的早期历史

1884年,开尔文勋爵估计了银河系的质量,他确定,宇宙的质量不同于可见恒星的质量。因此,开尔文勋爵得出结论:“我们的许多恒星,也许其中的绝大多数,可能是暗物质”。像开尔文、庞加莱等这些大人物,都猜想过暗物质的存在,不过这些都是猜测。为暗物质提供强大理论基础的,就是大名鼎鼎的广义相对论。之后,爱因斯坦和德西特联手写了一篇有关宇宙存在「看不见物质」的论文。而德西特也是被誉为「暗物质和暗能量的理论先驱」。

1932年,荷兰科学家扬·奥尔特提出证据并推断了暗物质的存在,他根据银河系恒星的运动提出银河系里面应该有更多的质量的想法,不过,后面这一证明被说是错误。


20实际60年代,维拉·鲁宾,肯特·福特和肯·弗里曼的工作为暗物质提供了进一步强有力的证明。此外,鲁宾和福特还利用一种新的光谱仪,更精确地测量了螺旋星系边缘的速度曲线。众所周知,行星距离恒星越远,公转速度就越慢(开普勒定律),基于此,旋转星系也应该遵守这一规则。


但他们测得的结果却出乎意料。处在远离星系中心的恒星,公转速度要比开普勒定律的理论值大很多。想要拴住这些速度极快的恒星,就需要更大的力,这些引力是从哪来的?故他们推测是有数量庞大的质能拉住星系外侧组成,以使其不致因过大的离心力而脱离星系,这就是著名的星系自转问题。

暗物质分类

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:在经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。

暗物质的探测

直接探测

对于暗物质的直接探测实验一般都这设置于地底深处,以排除宇宙射线的背景噪声。目前大部分的实验使用低温探测器或惰性液体探测器。这两种探测技术都能够从其他粒子与电子对撞的噪声中辨识出暗物质与核子的碰撞。

间接探测

暗物质的间接探测主要是观测其两两湮灭时所产生的讯号。然而在完全了解其他来源的背景噪声以前,这类的探测不足以当作暗物质的决定性证据,因此只能算作间接探测。

总结

由于暗物质还没有被最终确定,而且有其他的假说已经出现,旨在解释观测的现象,暗物质也是被用来解释观测到的现象。目前,最常用的方法是修正广义相对论。广义相对论在太阳系尺度上得到了很好的检验,但它在银河系或宇宙学尺度上的有效性还没有得到很好的证明。大多数天体物理学家的主流观点是,尽管对广义相对论的修正可以解释部分观测证据,但有足够的数据得出结论,宇宙中一定存在某种形式的暗物质。对于暗物质的直接探测实验一般都这设置于地底深处,以排除宇宙射线的背景噪声。



暗物质是一种不受电磁反应影响的物质,暗物质是一种无法衰变的物质。人类通过哈勃定律验证了宇宙的膨胀,但是宇宙并没有出现衰减。

星系团是星系的集合体,可以包含数百个明亮的星系,这些星系由共同的引力场束缚,这些看不见的物质也许并不是原子、分子这些构成我们世界的普通物质,而是另一种不在标准模型中的基本粒子,被定义为暗物质。这种暗物质不发出电磁波,也不和可见物质进行相互作用。但天文学家仍然可以通过暗物质的引力效应观测到它。利用广义相对论预言的引力透镜效应,人们甚至可以绘制暗物质在宇宙中的分布。

暗物质是人的肉眼无法看到的宇宙物质,科学家通过在没有光的真空条件下研究它,观测深空中的天文现象发现了暗物质。

神秘的暗物质究竟是什么?为何明明没有观测到,科学家就相信它存在



从来没人见过暗物质,科学家是如何知道它存在的?~

宇宙中的暗物质是看不见的,科学家是如何知道暗物质存在的?

暗物质、暗能量是当前天文学研究中的难题,难就难在虽然科学家隐约的知道它们的存在,但是到现在为止还没有探测到它,所以还无法真正的研究它们,只能是根据观测结果间接地研究它们,猜测组成它们的粒子究竟是什么?
发现暗物质之旅
既然称它是暗物质,这说明它应该是物质,既然是物质,必然产生引力,既然是物质,那就应该有组成粒子吧,既然是有组成粒子的,那么按照物理学研究的过程来看,就得需要知道粒子的产生与衰变的方式,也就是说要知道粒子的特征吧,如果连这些都不知道,那就还只是猜测而已,对于暗物质其实就是这么回事,还是猜测,不过是一种很肯定的猜测。

1884年,威廉汤姆森估算出银河系的质量,但是结果出乎他的意料,因为质量出奇的大,在那时天文学家认为一个星系的质量无非主要是由可见的恒星提供,但是现在估算的银河系质量远比可见的要大,这引起了他们的注意,他们认为肯定还存在一些“暗星体”未被观测到,不过那时的暗星体表示的是这个意思:暗淡的星体,那时候观测技术有限,暗淡的星星就观测不到了。虽然意思不一样,但是也算是发现之旅的先驱了。

1933年,天文学家弗雷德·茨威基有了重要的发现,他在研究后发座星系团成员星系的运动速度时,发现成员星系围绕后发座星系团核心区域的运动速度实在是太快了,照这样的速度来看,后发座星系团根本无法通过可见的物质产生的引力来维持完整,肯定还有看不到的物质在发挥着作用。1936年,天文学家辛克莱尔·史密斯在研究室女星系团时得到的现象也与茨威基发现的情况相似,经过这两次发现之后,科学家越发觉得肯定还有什么奇妙的东西没有被发现,这个奇妙的东西正是“暗物质”。

真正让暗物质研究成为主流学术研究是在1970年,两位天体物理学家在研究仙女星系的旋转速度曲线时确定暗物质的确在宇宙中大量存在。
暗物质的作用
暗物质作为宇宙的重要组成部分,科学家推测在宇宙中可见物质仅占4.9%,暗物质占26.8%,暗能量占68.3%,所以暗物质必然发挥着重要的作用,如上文科学家发现的那样,暗物质在稳定着星系、星系团的结构,不至于它们在如此高的旋转速度下分崩离析,暗物质所产生的引力作用正抵御着宇宙的快速膨胀,而宇宙膨胀的幕后黑手正是暗能量。

寻找暗物质粒子
寻找暗物质粒子如同蒙上眼睛在一间黑屋里找东西,现在已经知道暗物质粒子不参与电磁相互作用、强相互作用,参与引力相互作用,对于弱相互作用参不参与,还不清楚,假设参与弱相互作用了,那么暗物质粒子就可能是一种弱相互作用有质量粒子(WIMP粒子),如此一来就可以通过三种办法来寻找它。
三种办法:
1.直接探测,直接探测的探测器被放置在地表以下以排除宇宙线干扰。如果有幸捕捉到暗物质粒子的话,暗物质粒子会与探测器中的原子核发生碰撞,这种碰撞产生的信号会被监测到。

2.对撞机探测,大型粒子对撞机可能会碰撞出粒子标准模型以外的新粒子。
3.间接探测,发射卫星到太空中去,监测暗物质粒子衰变或湮灭时产生的信号,我国的“悟空”号卫星正是在做着这件事情。

但是这三种方法是在假设暗物质粒子是WIMP粒子的前提下,如果不是呢?所以说对于暗物质粒子的探测还不只是这几种方法。
目前我国有四川锦屏地下实验室与“悟空”号卫星在寻找着暗物质粒子,期待暗物质粒子的发现,如果发现,这绝对是近几十年来最重磅的天文学成果。

宇宙中看不见摸不着的暗物质,科学家是怎么发现的?
答:6. 兹威基发现,星系团中各星系的速度异常高,仅凭星系团内可见星体的引力无法解释这一现象。7. 他推测,星系团中一定存在大量的不可见物质,这些物质的质量远超可见星体,正是它们产生的引力束缚着星系团。8. 随后的几十年里,科学家们通过各种观测手段证实了暗物质的存在。9. 尽管暗物质无法直接观测...

暗物质到底是一种怎样的存在?如何通俗的理解?
答:检测这些粒子的实验正在完善中。根据已有的发现,暗物质可能聚集在我们星系的周围,并像普通的恒星、行星和星际尘埃那样运动。科学家目前的研究认为,暗物质多达宇宙物质的约85%,这意味着我们看到的数以千计的恒星物质只占宇宙总物质质量的约15%。既然暗物质不能发光发热,我们又如何确认它们呢?天文学家...

暗物质的本质是黑洞!科学家为什么要这样说呢?
答:暗物质是一种我们看不见的物质,目前人类还没有真正在宇宙中找到暗物质,但科学家相信,暗物质是一定存在的。那暗物质是如何形成的?有科学家认为,暗物质是由宇宙大爆炸诞生的原始迷你黑洞组成。目前,依据最新研究理论表示,这些微型迷你黑洞的诞生可能与希格斯玻格色子有关。这一理论发表出版的《物理评论...

什么是暗物质?研究暗物质对人类来说有什么用呢?
答:这里的“冷”指的就是温度低,“暗”指的就是看不到。看不到的原因其实和它不参与电磁相互作用有关,我们人类其实主要是通过电磁相互作用来观测的。(只有极少数用引力波观测)以上就是科学家对于暗物质的理论分析。可能你要问了,那暗物质有什么用?实际上,你可以把它理解成星系的粘合剂。科学家...

科学家对暗物质的判断有哪些错误,暗物质的本质究竟是什么?
答:它的特点就是看不见、摸不着,甚至也感知不到的。那无法感知,人类又是怎么知道它存在的呢?为什么科学家认为暗物质的存在对人类非常重要呢?科学家通过天文望远镜去观测离地球很遥远的一个星系,他们发现星系是一个圆盘似的一直在旋转,那么星系旋转的时候,应该会把周围的天体全部都甩出去,但为什么事实...

什么是暗物质,对于研究暗物质有何重大意义
答:暗物质的充斥着整个宇宙空间,将星系包围,科学家已经察觉到暗物质的存在,但是从来没直接观测到它的存在。 丁肇中团队使用的阿尔法磁谱仪(AMS),是安置于太空中的精密粒子探测装置,是至2013年以来灵敏度最高,也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备,代表了当今科学实验的最高技术手段,由16个国家和地区的600余名科学...

什么是暗物质,人类可以利用暗物质吗?
答:4. 正负两种暗物质粒子的相互作用导致伽马射线的释放。科学家们认为,只要能制造出伽玛射线望远镜,就能探测到暗物质的子结构,使其暴露在人类视野之下。5. 2008年,费米空间望远镜提供了探测暗物质子结构的新机会。这个望远镜专注于伽玛射线波段,具有高能量和强穿透能力,尽管对人类有害,但它成为了人类...

宇宙中的“暗物质”到底是什么?关于这个物质你了解多少?
答:暗物质作为宇宙中最神秘的力量,从上世纪饿20年代开始就受到科学家们的关注,近100年的科学研究基本证明了它的存在。虽然也有人质疑仅仅证明“暗物质”确实存在还不够,其他结果因测量或计算方法不准确而出现误差,但就现有技能和认知能力而言,学术界更倾向于理论证明的方法。爱因斯坦添加了宇宙...

什么证据说明可能存在暗物质?
答:神秘物质宇宙中自暴行踪,科学家据此模拟得到其分布图 它占据着宇宙总密度的95%以上。至今,没有任何人可以捕捉到这种看不见、摸不着的东西;但天文学家们却明显地感觉着这种物质的存在。科学家们叫它“暗物质”。近日,美国有关媒体传出消息,国际科研小组的科学家们表示,他们已经成功地找到了宇宙中...

宇宙中看不见摸不着的暗物质,科学家是怎么发现的?
答:兹威基推测星系团内一定存在大量的不可见物质,其质量是可见星体的上百倍,产生的引力能把那些高速运转的星系牢牢束缚。他把这些不可见物质定义为暗物质。在后来几十年的天文观测中,科学家们也证实了暗物质的存在。既然暗物质是“隐形”的,我们怎么把它们找出来呢?方法很简单,就像《指环王》中,尽管...