顛覆引力定律的暗物質是什麽，它真的存在嗎？占據宇宙85%，卻看不見摸不著【紅桃K日記】

人類爲了尋找暗物質存在的證據 科學家們在過去的幾十年當中 進行了超過五十次的長期實驗 但是卻沒有發現任何的東西 除了一個地方 在1687年出版的《自然哲學數學原理》一書中 埃塞克·牛頓發表了萬有引力定律 他揭示了宇宙中天體運動的規律 往後的幾百年來 當天文學家們發現 某些天體運行軌道出現異常 不符合萬有引力定律的時候 他們就會知道周圍一定有未知的天體 通過引力在攝動它的軌道 比如在1846年 奧本·勒維耶就通過天王星運行軌道的異常 推算出並且發現了海王星的存在 另外哈雷惠星 冥王星的發現都是應用萬有引力定律所取得重大天文成就的例子 但是這些發現都是在恆星系統的尺度當中 可當我們上升到星系或者是星團的尺度 事情就開始變得詭異了 1933年 瑞士的天體物理學家弗裏茨·茨維基正在研究和測量後發作星系團的質量 這是一個由數千個星系所組成的巨大星系團 這些星系被引力束縛在一起 測量星系團的質量一般會使用到兩種方法 當兩種方法結果一致就可以確定其質量的範圍 第一種是獲得其光度學的質量 需要的數據是測量各個星系的光度 另一種是動力學質量的計算 是利用光譜紅移測量星系團中的各個星系相對於星系團的運動速度 當測量結果出來之後 茨維基徹底懵了 動力學質量竟然是光度學質量的400倍 這意味着後發作星系團有99%的質量消失了 或者說這99%的質量並不以可見光的形式所存在 我們無法看到 最詭異的是在測量速度的過程當中 茨維基發現星系團中很多星系的速度比理論上要快得多 按照紐頓的運動學定律 僅靠這些可見星系的質量所產生的引力 是無法將它們束縛在星系團內的 它們早就應該被拋出星系團之外 除非有一種神祕的力量在起作用 這種力量來源於某種隱形的物質 據此茨維基提出了這樣的推測 宇宙當中充滿着大部分不可見的暗物質 它們既不發散光 也不吸收光 也不反射光 人們根本看不到它 但是它們卻佔據着宇宙中絕大部分的質量 只是當時的人們對這樣的一種說法不屑一顧 直到40年之後 暗物質這個詞纔再一次出現 天文學家維拉魯賓和肯特福特在觀測仙女座星系中的恆星運動 理論上來說 距離中心越遠的恆星 在其軌道上的運行速度就會越慢 但是他們觀測的結果卻讓人感到不可思議 隨着與中心距離的增加 恆星的旋轉速度幾乎保持不變 可是根據牛頓的萬有引力定律 在星系當中 如果沒有足夠大的質量來吸引它們 這些外圍的恆星早就被甩到宇宙當中了 那基於這種現象 科學家們會使用一種相對標準的方法 來揭示暗物質的存在 這種方法就是測量星系當中氣體在X軸上距離星系中心的距離 以及在Y軸上氣體的旋轉速度 如果出現異常的結果 就認爲是有暗物質的力量進入其中 於是科學家們通過射電望遠鏡測量了 距離星系中心更遠距離的氫元素髮現 它們的旋轉速度並不符合牛頓的力學定律 我們的太陽系也不例外 太陽系位於銀河系的第三懸壁之上 距離銀河系中心2.6萬光年 根據萬有引力定律進行計算 太陽系的運行速度應該是160千米每秒 但是實際上我們的太陽系 正在以220千米每秒的速度圍繞銀河系旋轉 這個實際速度遠遠大於理論速度 那麼產生以上這種向心加速度的原因 很可能就是存在着一種我們看不到的物質 是這些暗物質的引力效應將星系聚集在了一起 也是從這時開始 越來越多的研究人員開始相信暗物質的存在 科學家根據星系外圍恆星軌道的速度估算 在星系當中 暗物質的質量佔整個星系質量的85% 但是暗物質並不是可以解釋這個現象的唯一原因 在一項新的研究當中 科學家們發現 幾乎沒有引力效應的遙遠恆星之間 也會出現速度上的微小差異 另外天文學家還發現了一個反常的星系 這個星系距離地球大約2.5億光年 大小和銀河系差不多 但是星系當中存在的恆星數量 卻只有銀河系的千分之一 所以在理論上 該星系必須存在暗物質 否則就會分崩離析 但是科學家們使用最先進的望遠鏡 對其進行了40個小時的詳細測量之後發現 星系中的恆星運動 是可以用正常的物質和力學定律來解釋的 那麼又有人提出 也許該星系的暗物質 已經被附近的另一個大星系所剝離了 但奇怪的是 在它的附近並沒有任何的星系存在 造成這些現象 除了暗物質的假說之外 另一種的可能就是 人類對引力的理解還不夠全面 引力很可能在不同尺度空間中的 工作方式是不同的 這意味着在行星系尺度中的天體 會沿着它們的軌道 按照我們所理解的方式進行運動 但是上升到星系和星團的尺度 引力之間的相互作用則是不同的方式 對於在星系團之間的相互作用 科學家還引入了外部場效應的概念 指的是在數百萬光年的規模上 巨大的質量之間 會產生對彼此特殊的一種效果 這個理論叫做蒙德理論 如果蒙德理論成立 則意味着我們需要對現在的物理定律 進行修正 那這些發現也讓很多人認爲 暗物質假說理論就此終結 但是在宇宙當中 還有關於暗物質存在的 其他的理論證據 這些理論證據 是蒙德理論所沒法解釋的 鏡像距離爲37億光年的子彈星系團 由兩個碰撞的星系團所組成 類似這樣的星團 它們大部分的普通質量 都在星系的氣體當中 當星團以1000萬公里每小時 發生碰撞的時候 星際氣體的相互作用 就會導致溫度的急劇升高 速度的大幅降低 所以在理論上 在碰撞之後 子彈星系團大部分的質量 將位於所有這些氣體所在的中間區域 那麼我們通過什麼來驗證 它的質量區域 到底是不是集中在中間呢 前不久 詹姆斯偉博太空望遠鏡 傳回了宇宙當中 第一張全綵的高清照片 在照片中 我們可以明顯的看到 很多星系似乎被拉伸 產生了巨大的形變 其實這些星系本身 並不是真的被扭曲了 也不是偉博望遠鏡出了什麼問題 而是這樣極遙遠的天體 和我們地球上的觀測者之間 如果被一個質量 超級巨大的天體所遮擋 這個超大質量的東西的引力 就會使身後更遙遠星系的光 不發生扭曲 這個現象就是引力透鏡效應 這個巨大的天體 可能是超大質量的黑洞 或者是暗物質 所以當人們對子彈星系團 觀測的時候發現 它的大質量區域 並不是在中間 而是在兩側 所以最好的解釋方法 就是當星團發生全部的碰撞時 可被觀測到的質量氣體 被卡在了中間 暗物質則直接通過了這個區域 並在兩邊形成了引力透鏡 對子彈星系團的引力透鏡研究 也被認爲是暗物質存在的 迄今爲止最好的理論證據 那除此之外 還有來自宇宙當中最古老的光 從宇宙大爆炸開始 38萬年之後 可見光終於可以暢通無阻的 穿越在宇宙當中了 經過了130多億年之後 這些光在宇宙空間背景上 留下了各項同性的微波輻射 這其中紅色的部分 表示溫度較高的區域 藍色則表示相對較冷的區域 但實際上它們之間的溫差 只有萬分之一 科學家們通過對前景背景 分離後的二枝圖像 進行連通域提取和標記之後 發現如果宇宙當中沒有暗物質 圖形看起來應該是這樣的 而隨着暗物質的增加 一些峯值的幅度會減小 變成這個樣子 爲了匹配宇宙微波背景 輻射的測量值 我們需要的暗物質 大約是普通物質的5倍 這個數字與解釋星系當中 恆星運動所需要的暗物質比例 是一致的 這就意味着暗物質假說 用了一個簡單的理論框架 就很好地解釋了很多 不同的觀測結果 而暗物質的本質 就是宇宙當中 它們不參與任何其他的電磁作用 只通過引力來相互作用 所以如果能夠找到這樣 粒子的存在 就相當於找到了暗物質 存在的實際證據 這種粒子到底是什麼 科學家們已經提出了 數十種的假想目標 而要尋找這些不同的目標粒子 所需要的實驗方式也不相同 在過去的幾十年當中 人類爲了尋找這些看不見 摸不到 幾乎不會與常規物質 相互作用的東西 科學家們已經進行了 超過50次的實驗 卻沒有任何實質性的發現 只除了一個地方 意大利的格蘭薩索山 隸屬於阿爾卑斯山脈 在山下1400米處的地下礦景當中 藏着地球上最大的地穴實驗室 這個實驗室叫做Dama Libra 這裏有一個三層樓高的探測器 一直致力於尋找暗物質粒子的 週期性震盪 自1997年以來 這裏的科學家聲稱 觀測到了某種信號 經過了20多年的數據收集 人們發現了一個有趣的事情 探測率會在每年的6月份達到峯值 然後在11月降到最低 而且在20年當中 每年都是一樣 一些科學家認爲 這可能是人類發現暗物質的 第一個直接證據 但是爲什麼暗物質會產生 週期性的粘度信號 剛纔我們講了 太陽系正在以220公里每秒的 速度圍繞着銀河系進行移動 那麼如果暗物質存在宇宙當中 這意味着我們也在以這樣的速度 在穿越着暗物質流 這個過程中會產生相應的震盪 同時地球又以30公里每秒的 速度圍繞太陽進行旋轉 所以有半年的時間 地球圍繞太陽的方向 與太陽環繞銀河系的方向是一致的 而另外半年則與之相反 而在6月份的時候 地球與太陽的方向 正好達到完全一致 這是理論上地球穿越暗物質流 最快的時段 而在11月份又恰好達到了最慢值 儘管在實際的情況當中 太陽系相對銀河系的平面 呈現了60度的傾斜 但是這並不影響這個理論的有效性 因此科學家認爲 這可以用來解釋 研究人員們所觀測到的週期性信號 當然也可能有其他的情況 造成這種年度週期信號的差異 也可能是溫度 溼度 土壤中的水分高山上的積雪 甚至連意大利遊客的數量 也符合這個週期的規律 所以科學家們又在南半球 建立了一個幾乎相同的實驗室 這裏的季節與之前的實驗室正好相反 而在這裏 地球穿過暗物質流的運動特徵 和第一個實驗室是一樣的 因此如果在這裏可以得到相同的信號 就可以成爲暗物質所存在的 非常有利的證據了 但是由於這個實驗室剛剛建成不久 所以截至目前爲止 還無法提供相應的數據支持 另外在2025年 NASA將會發射一臺新的望遠鏡 這臺太空望遠鏡叫做南希格雷斯羅曼 它的主鏡大小跟哈勃望遠鏡相同 但它的寬視場儀器提供的視野 是哈勃紅外儀器的100倍 南希格雷斯羅曼太空望遠鏡 其中一個關鍵的用途 就是探索暗物質背後的奧祕 那對於探測的結果 我們只能拭目以待 費米實驗室 粒子天體物理中心的科學家 丹胡珀和賈森斯特芬研究發現 如果暗物質存在 它們極有可能擁有另一種神祕的效應 這種暗物質效應 會支持宇宙當中生命的誕生 如果這一理論得到進一步的證實 那麼遍佈宇宙當中的暗物質 會不會意味着人類並不孤單呢 或許在宇宙當中某個角落的行星上 暗物質正在通過這樣的效應 創造了生命 當然這些推論的大前提 是要先找到暗物質存在的實際證據 那麼你覺得暗物質到底存不存在 請在評論區分享一下你的觀點吧 好 我們今天就聊到這 我是小K 下期再見