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暗物质之谜

2012-08-20 17:23 作者:苗千来源:三联生活周刊
根据目前宇宙学的基础理论,整个宇宙的70%由暗能量构成,25%由暗物质构成,只有5%由目前人类所能够理解的“普通物质”构成。几十年来,人们一直在探索暗物质的本质,可是直到现在暗物质对于人类来说仍然是一个谜。

荷兰天文学家简·奥尔特

自从20世纪30年代,荷兰天文学家简·奥尔特(Jan Hendrick Oort)和瑞士天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)首次在天文学观测中发现了“暗物质”,之后随着“暗能量”的发现,人类对于宇宙的认识被彻底改变了。人类逐渐意识到,对于宇宙的构成,目前仍然知之甚少。根据目前宇宙学的基础理论,整个宇宙的70%由暗能量构成,25%由暗物质构成,只有5%由目前人类所能够理解的“普通物质”构成。几十年来,人们一直在探索暗物质的本质,可是直到现在暗物质对于人类来说仍然是一个谜。

目前,人类也只能够确定暗物质不是什么。暗物质不是宇宙中可见星系的组成物质,不是反物质,不是黑洞,也不是目前人们所认知的任何物质。暗物质不吸收或是发射电磁辐射,也不参与强相互作用,因此人类通常所用的探测手段都无法探测到暗物质的存在。在人类已知的四种相互作用形式中,暗物质只参与引力与弱相互作用,因此人类在大多情况下都只能在太空观测中通过暗物质的引力场对于光线的扭曲形成的“引力透镜”作用来探知暗物质的位置、质量和其他性质。

如今宇宙学家们已经习惯了宇宙中暗物质的存在,同时在宇宙学的一些理论中也加入了暗物质的部分,但是因为人类对于暗物质的性质仍然知之甚少,现在人们对于暗物质的探测,常常会得出相互矛盾的结论。人类目前对于这种弥漫在宇宙各处却又显得神秘莫测的物质仍然缺少有效的探测方法,只能在一种类似于盲人摸象的困境中缓慢前行。

2005年,来自阿雷西博天文台(Arecibo Observatory)和英国卡迪夫大学的科学家在观测室女座星系团的氢气辐射时,发现距离地球5000万光年,质量是太阳100亿倍的VIRGOHI21星系是一个主要由暗物质构成的星系,这个星系中氢气只占星系总质量的1%,星系剩余的大部分质量都是由暗物质组成。这个暗物质星系的发现解决了科学家们的另外一个疑问,就是为什么在VIRGOHI21星系旁边的NGC4254星系向它的邻居倾斜。在NGC4254星系的所有旋臂中,临近VIRGOHI21星系的旋臂明显长于其他几个——现在科学家们明白了,这是由于暗物质星系的引力作用。他们的这一发现也被发表于《天体物理学期刊》(The Astrophysical Journal),而VIRGOH21星系则成为人类发现的第一个暗物质星系。对此,来自卡迪夫大学的科学家乔·戴维斯(JonDavis)说,“宇宙对于人类来说还有很多秘密没有揭开,但是看起来人们已经开始明白怎样正确认识宇宙”。

暗物质星系并非全都距离地球非常遥远,在2011年,科学家们又发现了一个主要由暗物质组成的星系。这个距离地球26万光年的星系就在银河系的旁边,属于银河系的卫星星系。这个质量相当于银河系1%的卫星星系主要由暗物质构成,属于银河系第三大的卫星星系,而科学家们之所以直到2011年才发现它,是因为这个星系与形状扁平的银河系处于同一个平面上,不利于天文观测。

这个银河系边缘暗物质星系的发现也引发了另一个宇宙学问题,根据现有的星系形成的理论,人类现在居住的银河系是经过了数十亿年的演化,由无数的小星系碰撞、合并而形成的。那么,在银河系周围,应该围绕着上万个相比银河系小得多的矮星系,可是直到现在为止人们也只在银河系的周围发现了几十个矮星系,完全不符合星系形成理论。这个现象究竟是意味着现有的星系形成理论需要修改,还是银河系周围其余的矮星系大多数都是由暗物质构成?这个问题只能通过科学家们在太空中继续观测,寻找银河系边缘的暗物质星系才能回答。

在宇宙中,暗物质与普通物质的分布有什么规律?有些科学家认为,因为不参与电磁相互作用与强相互作用,因此,暗物质粒子可以在物质中随意“穿行”,但是因为暗物质也参与引力作用,因此在宇宙中暗物质与普通物质会相互吸引,逐渐聚集,因此在宇宙中可见星系的位置正应该是暗物质聚集的区域。对此,科学家们的观测结果彼此不同。两组天文学家在分析据地球23亿光年的Abell383星系团的暗物质分布时,得出了相反的结果。一组科学家认为,暗物质由于引力的作用聚集在星系团的中心;而另一组的科学家则认为,在星系团中心位置并没有太多的暗物质存在。2012年3月,哈勃望远镜发回的数据显示,宇宙中两个星系团相互碰撞后,暗物质并没有随着其他发光物质一起运动,而是落在了后面,形成了一个“暗物质核心”,在这个核心周围只有几个小星系。

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网络编辑:刘暮彤

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