暗物質(zhì)的分布

2016/11/11 14:40:00

天文學(xué)的觀測表明，宇宙中有大量的暗物質(zhì)，特別是存在大量的非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。據(jù)天文學(xué)觀測估計(jì)，宇宙的總質(zhì)量中，重子物質(zhì)約占2%，也就是說，宇宙中可觀測到的各種星際物質(zhì)、星體、恒星、星團(tuán)、星云、類星體、星系等的總和只占宇宙總質(zhì)量的2%，98%的物質(zhì)還沒有被直接觀測到。在宇宙中非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)當(dāng)中，冷暗物質(zhì)約占70%，熱暗物質(zhì)約占30%。

宇宙中的某些地方?jīng)]有任何暗物質(zhì)和可見物質(zhì)，而它們在另外一些地方卻異常密集：暗物質(zhì)聚集在一起，星系則掛靠在暗物質(zhì)上，就像掛在鉤子上的畫。

美國明尼蘇達(dá)大學(xué)科學(xué)家安吉拉-雷塞特爾是“低溫暗物質(zhì)搜尋計(jì)劃”項(xiàng)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(zhì)流。每時(shí)每刻都存在一種交互�！彼�是在美國物理學(xué)會一次會議上發(fā)表這一理論的。在最新一期《科學(xué)快訊》雜志上，雷塞特爾和同事們發(fā)表論文聲稱，他們發(fā)現(xiàn)了兩起事件，這些事件可能就是由暗物質(zhì)撞擊探測器所引起的。雷塞特爾表示，“我們此前的探測結(jié)果從來沒有如此發(fā)現(xiàn)，這是首次�！�

“低溫暗物質(zhì)搜尋計(jì)劃”位于明尼蘇達(dá)州地下大約700米的一個(gè)礦井中。因此，礦井可以阻止其他任何物質(zhì)抵達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，除了暗物質(zhì)。這樣宇宙射線和其他粒子可能會與暗物質(zhì)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硅元素組成的曲棍球形狀的小塊。如果鍺或硅原子的原子核被暗物質(zhì)粒子擊中，它就會反彈并向探測器發(fā)送一個(gè)信號。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙中的暗物質(zhì)與一些小型的臨近星系密切相關(guān)。這些星系只有數(shù)顆恒星，但它們的質(zhì)量卻是這些恒星單獨(dú)質(zhì)量的一百倍。這種隱藏的物質(zhì)就被科學(xué)家稱作暗物質(zhì)。

然而，研究人員也無法完全確定他們所探測到的兩個(gè)信號究竟是由暗物質(zhì)粒子還是由其他粒子引起的。這兩個(gè)信號太少，因此科學(xué)家們也無法確定。據(jù)科學(xué)家介紹，他們的計(jì)算曾經(jīng)預(yù)測到背景可能會引起一次假事件�！暗蜏匕滴镔|(zhì)搜尋計(jì)劃”將繼續(xù)進(jìn)行他們的實(shí)驗(yàn)以期發(fā)現(xiàn)更多實(shí)質(zhì)性的信號。

地球上另一項(xiàng)探尋暗物質(zhì)的嘗試聚焦于強(qiáng)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，然后讓它們相互碰撞。科學(xué)家們希望通過這種難以置信的高速碰撞從而產(chǎn)生奇異粒子，其中包括暗物質(zhì)粒子。

然而，即使采用最強(qiáng)大的粒子加速器，至今也未能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的任何跡象。美國馬里蘭大學(xué)科學(xué)家薩拉-恩諾表示，“你也許會問為什么會這樣，為什么組成宇宙大部分的物質(zhì)粒子為什么在我們的加速器中從來沒有發(fā)現(xiàn)過。”原因之一可能就是他們的加速器還沒達(dá)到足夠強(qiáng)大。

科學(xué)家們也無法確定暗物質(zhì)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(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)它們。或許在任何加速器中都無法找到暗物質(zhì)粒子。恩諾表示，“我們或許不知道這樣一個(gè)事實(shí)，那就是暗物質(zhì)粒子是我們無法制造或探測到的粒子。”

最大的希望就寄托于新型的粒子加速器大型強(qiáng)子對撞機(jī)身。恩諾表示，“大型強(qiáng)子對撞機(jī)或許會最終讓我們獲得足夠的能量以產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子，并在撞擊中發(fā)出它們�！倍髦Z也是大型強(qiáng)子對撞機(jī)緊湊型μ子螺旋型磁譜儀實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成員之一。

然而在小一些的尺度上，從1Mpc到星系的尺度（Kpc），就出現(xiàn)了不一致。幾年前這種不一致性就顯現(xiàn)出來了，而且它的出現(xiàn)直接導(dǎo)致了“現(xiàn)行的理論是否正確”這一至關(guān)重要的問題的提出。在很大程度上，理論工作者相信，不一致性更可能是由于我們對暗物質(zhì)特性假設(shè)不當(dāng)所造成的，而不太可能是標(biāo)準(zhǔn)模型本身固有的問題。首先，對于大尺度結(jié)構(gòu)，引力是占主導(dǎo)的，因此所有的計(jì)算都是基于牛頓和愛因斯坦的引力定律進(jìn)行的。在小一些的尺度上，高溫高密物質(zhì)的流體力學(xué)作用就必須被包括進(jìn)去了。其次，在大尺度上的漲落是微小的，而且我們有精確的方法可以對此進(jìn)行量化和計(jì)算。但是在星系的尺度上，普通物質(zhì)和輻射間的相互作用卻極為復(fù)雜。在小尺度上的以下幾個(gè)主要問題。亞結(jié)構(gòu)可能并沒有CCDM數(shù)值模擬預(yù)言的那樣普遍。暗物質(zhì)暈的數(shù)量基本上和它的質(zhì)量成反比，因此應(yīng)該能觀測到許多的矮星系以及由小暗物質(zhì)暈造成的引力透鏡效應(yīng)，但是觀測結(jié)果并沒有證實(shí)這一點(diǎn)。而且那些環(huán)繞銀河系或者其他星系的暗物質(zhì)，當(dāng)它們合并入星系之后會使原先較薄的星系盤變得比觀測到得更厚。

暗物質(zhì)暈的密度分布應(yīng)該在核區(qū)出現(xiàn)陡增，也就是說隨著到中心距離的減小，其密度應(yīng)該急劇升高，但是這與我們觀測到的許多自引力系統(tǒng)的中心區(qū)域明顯不符。正如在引力透鏡研究中觀測到的，星系團(tuán)的核心密度就要低于由大質(zhì)量暗物質(zhì)暈?zāi)Ｐ陀?jì)算出來的結(jié)果。普通旋渦星系其核心區(qū)域的暗物質(zhì)比預(yù)期的就更少了，同樣的情況也出現(xiàn)在一些低表面亮度星系中。矮星系，例如銀河系的伴星系玉夫星系和天龍星系，則具有與理論形成鮮明對比的均勻密度中心。流體動力學(xué)模擬出來的星系盤其尺度和角動量都小于觀測到的結(jié)果。在許多高表面亮度星系中都呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)的棒狀結(jié)構(gòu)，如果這一結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，就要求其核心的密度要小于預(yù)期的值。

可以想象，解決這些日益增多的問題將取決于一些復(fù)雜的但卻是普通的天體物理過程。一些常規(guī)的解釋已經(jīng)被提出來用以解釋先前提到的結(jié)構(gòu)缺失現(xiàn)象。但是，總體上看，觀測證據(jù)顯示，從巨型的星系團(tuán)（質(zhì)量大于1015個(gè)太陽質(zhì)量）到最小的矮星系（質(zhì)量小于109個(gè)太陽質(zhì)量）都存在著理論預(yù)言的高密度和觀測到的低密度之間的矛盾。