解开暗物质的秘密,要做什么努力?

by admin on 2020年4月19日

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3月29日消息,据国外媒体报道,日前一个由天体物理学家组成的国际团队已经发现了一个距地球6500万光年的星系,其包含的暗物质数量很少,甚至可以说这个星系根本没有任何暗物质。研究负责人表示,这种现象虽然不能颠覆科学家对星系形成的理解,但完全可以改变天体物理学家对暗物质的定义。

迈阿密大学天体物理学家Nico
Cappelluti研究天空。Cappelluti是物理系的助理教授,他对超大质量黑洞的宇宙现象、暗物质的性质和活跃的星系核非常感兴趣,这是在许多星系中心发现的非常明亮的光源。最近,Cappelluti发表了一项研究成果,该研究可以让人们对科学家和天体物理学家几十年来一直在研究的问题进行深入的研究:暗物质是什么,它从何而来?

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在可靠性、速度和精确度上都具有竞争力,对科学家的挑战在于一开始的学习曲线有点陡。

迄今为止物理学家还不太了解暗物质。对于暗物质是由什么组成的、单一粒子有多重,或者说暗物质是如何形成的,物理学界尚无定论。也没有人能够在地球上捕捉到暗物质粒子。

围绕银河系的暗物质图像。图片:University of Miami

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但是经过30多年的天文观测,大多数研究人员都认同的事实是:宇宙中有很多暗物质。天体物理学家认为暗物质在整个宇宙中占据主导地位,其总量甚至是普通物质的五倍。由于星系旋转得太快,如果没有额外的暗物质存在,根据现有的物理定律来说这些星系就会塌缩。例如银河系的旋转速度很快,所以它必须包含比普通物质多30倍的暗物质。实际上,天文学家曾研究过的每个星系都含有暗物质。

据美国哈佛-史密森天体物理中心的天体物理学家埃斯拉·布布尔(Esra
Bulbul)说,宇宙中75%的物质都是由科学家所不知道的物质组成的,这是暗物质。Cappelluti的研究发表在《天体物理学杂志》(Astrophysical
Journal)上,题目是“在钱德拉(Chandra)的深部寻找3.5 keV线:10
MS的观测”,研究了一个有趣的光源,它被四个不同的望远镜捕捉到,每个望远镜都指向天空中不同的方向。光的来源对科学家们来说是陌生的和难以辨认的,在天体物理学领域引起了相当大的轰动。在2014年研究星系团时,Bulbul也发现了发射线。

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但现在,天体物理学家似乎发现了一个没有暗物质的星系。

使用特殊的望远镜来捕捉天空中的x射线,在观测这些x射线的同时,望远镜发现了一个意想不到的特征,捕捉到了光谱的光,而这不是由任何已知的原子发射所产生的,这条发射线现在被称为3.5千电子伏特(keV)。这条发射线的一个解释是它是由暗物质的衰变产生的。捕捉3.5
keV发射的4个望远镜是美国宇航局的天体望远镜,欧洲航天局的xm
-牛顿望远镜,钱德拉望远镜,以及来自日本的Suzaku望远镜。

来源:solidot

一个由天体物理学家组成的国际团队已经发现了一个距地球6500万光年的星系,其包含的暗物质数量很少,甚至可以说这个星系根本没有任何暗物质。在得出这个结论的过程中,科学家测量了该星系中10个球状星团的旋转速度,据悉每个球状星团中包含数以百万计的恒星。他们的测量显示,这个星系的恒星可以处理自身的旋转速度。耶鲁大学天体物理学家皮耶特·范·多克姆指出,与其他同样亮度的星系相比,“它的暗物质比我们预期的要少400倍”。

这条3.5
keV的发射线是未知的。我们真的不知道它是什么。但有一种理论认为,它可能是一种不育的中微子,也被称为衰变暗物质。Cappelluti博士研究的真正有趣之处在于他在我们自己的星系中发现了这个3.5
keV线。如果得到证实,这将告诉我们暗物质是什么,可能是物理学的重大发现之一,知道银河系周围都是暗物质。把它想象成我们生活在一个暗物质的泡泡里。但我们也希望我们的检测能有统计上的确定性,所以现在我们正在组建一个无菌的中微子任务小组。

多克姆指出,这种现象很奇怪。虽然其不能颠覆科学家对星系形成的理解,但完全可以改变天体物理学家对暗物质的定义。目前来说,科学家认为星系形成于一团团的暗物质,恒星也只能在原有的暗物质基础上形成。哥伦比亚大学的天体物理学家耶利米·奥斯特克指出,“星系的形成是暗物质不断积累的过程,然后普通的气态物质落入暗物质云团,逐渐演化成恒星,然后再形成星系。”

今年秋天,来自世界各地的几位科学家,包括哈佛大学的Bulbul,计划聚集在迈阿密大学,组织一个大规模的数据挖掘项目,以调查和研究这个3.5
keV排放线。现在的目标是继续观察天空,直到我们获得更强大的、具有更好分辨率的望远镜,这些望远镜将在2021年之前完成,并分享和分析其他科学家的数据,这些科学家正在试图揭开暗物质的秘密。

多克姆指出:“矛盾的是我们找到了一个没有暗物质的星系,这就像找到一个没有骨架的身体。它到底是怎么形成的?如何形成了一个没有暗物质的星系?”

博科园-科学科普|参考期刊文献:天体物理期刊|迈阿密大学

加州大学欧文分校天体物理学家詹姆斯·布洛克说,现在推翻原有理论还为时过早。他指出,这个名为NGC1052-DF2的星系正在围绕另一个星系旋转。他说,这个星系可能与其他星系一样曾经有很多暗物质,而邻近的星系则将暗物质带走了。

想象一下,你完全可以把暗物质当成分散粒子的集合这个过程,你可以将暗物质形象化为单个粒子的集合。当然,暗物质并不像普通物质,一样能够聚集成恒星和行星。布洛克说:“最好把它看成是一种流体,就像一片黑暗的海洋。”主流的暗物质理论预测,这些“海洋”流体粒子在太空中围绕星系运动,就像彗星围绕太阳飞行一样。布洛克认为,随着暗物质粒子到达其轨道的顶端,来自邻近星系的力量可能会将其带走。

奥斯特克则表示,下一步是要弄清楚这个星系是个例还是常态。如果天体物理学家发现更多类似的星系,他们将不得不修改他们关于暗物质的现有理论。目前的主流理论——暗物质由所谓的弱相互作用大质量粒子构成,每个粒子都比质子稍重——无法解释星系中没有暗物质存在的现象。

其他理论可能会好一些。例如,奥斯特克提出了一个理论,该理论确实可以预测某些星系的暗物质含量极低,其中的暗物质粒子比弱相互作用大质量粒子轻1030倍。

布洛克说,如果当前的理论是错误的,那么这也会影响到捕捉地球上暗物质粒子的实验策略。诸如南达科他州的LUX-ZEPLIN实验,意大利的XENON1T实验以及华盛顿的ADMX实验等都在试图找出暗物质到底是由什么构成的,他们希望通过天文观测来指导探测器设计。LUX-ZEPLIN和XENON1T都使用液体氙来寻找弱相互作用大质量粒子。ADMX寻找另一种称为Axion的暗物质候选对象,它比WIMP更轻,并且需要使用不同类型的检测器。

多克姆和他的团队计划继续寻找类似的星系——或者任何其他奇怪的事物来挑战当前对暗物质的理解。2016年,他们曾发现一个旋转速度非常快的星系,据此推断其暗物质含量高达99.99%。“这个星系是相反方向上的一个惊喜,”他说。同样,他们也不知道这个星系是如何形成的。

他们希望这些奇怪的星系能够帮助像奥斯特克和布洛克这样的理论家更好地理解暗物质是什么。多克姆表示:“我们对暗物质知之甚少,所以任何新的理论都是受欢迎的。”

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