關於暗物質的最新研究 | 宇宙探索

在上一期視頻中 我們一起討論了銀河系在高速旋轉中 卻沒有解體的重要原因之一 是因爲其中充滿了暗物質 那麼在今天的視頻中 我們就一起來詳細討論下 科學家們對暗物質的最新研究 暗物質是當科學家們估計銀河系的質量時發現的 他們發現只有小於五分之一的質量是可見的 其餘的質量是不可見和未知的 並被祕密組織的暗物質 暗物質是不可見和未知的 並被命名爲暗物質 宇宙有68%的暗能量 27%的暗物質和僅有的5%普通物質組成 那麼什麼是暗物質 暗物質是一種因其引力效應而被科學家所知曉 但無法看見的物質 它不會發射光 除了引力效應外 也不會以可測量的方式與普通物質相互作用 科學家們是如何研究暗物質呢 一種方法是觀察宇宙微波背景輻射 這是大爆炸後氫原子的早期形成過程 另一種方法是觀察暗物質對天體物體的引力影響 科學家們還可以尋找落到地球上 並進入實驗設備中的暗物質 最近 他們還對於在粒子加速器內創造暗物質感到興趣 傳統的檢測技術是在地下建造一個非常靈敏的探測器 等待這些暗物質粒子穿過它 暗物質粒子可能會在空氣中緩慢地移動 如果它們非常輕 它們可能無法以足夠的能量到達探測器 並達到檢測的最小閾值 不過科學家們想到如果把探測器放到粒子加速器的旁邊 就可以以顯著更高的能量產生這些暗物質粒子 並可能檢測到其出現的信號 一個名爲Coherent的科學家團隊 試圖將暗物質從宇宙的陰影中帶出來 實驗是在一個被稱爲中微子走廊的地方進行的 這個地方是奧克里奇國家實驗室的一個區域 裏面有一系列的探測器 專門設計用來觀察中微子穿過並與它們碰撞時發生的情況 當粒子加速器將質子相撞時就可能會產生暗物質 團隊使用了一個重量爲14.6千克的點化色晶體作爲中微子探測器 並試圖尋找一個特定的指紋 所謂的指紋是指中微子探測器中原子核在被中微子或暗物質粒子撞擊時的反衝方式 如果暗物質具有某些特徵 團隊就可以確切地知道探測器對其的響應方式 可惜的是 直到目前爲止 該團隊還沒有使用它們的中微子探測器觀察到暗物質 不過這也可以用來排除暗物質構成的某些可能 該團隊目前正在準備製作一個更大更靈敏的探測器 同時他們也會細調搜索參數 這將集大地提高捕捉這些暗物質粒子的機會 那麼暗物質是如何產生的呢 科學家們認爲 暗物質在宇宙大爆炸後的早期宇宙中 出現並隨着宇宙擴張獲得支配地位 最近德克薩斯大學奧斯汀分校的理論天體物理學家和物理學教授凱瑟琳·弗里斯在一篇論文中提出 可能存在第二次大爆炸 它產生了暗物質 在宇宙第一次大爆炸結束時發生了相變 產生了各種現在可見的粒子 那麼暗物質大爆炸是什麼時候發生的呢 第一個有關暗物質的觀測證據來自於大爆炸後40萬年 當時它的引力影響了第一個星系的形成 暗物質大爆炸發生在那之前的任何時間都是可能的 凱瑟琳在論文中指出 最晚是第一次大爆炸後一個月發生的暗物質大爆炸 一種新一代引力波探測器可能提供數據以證實它的理論 引力波最初是在2015年由一種名爲激光干涉引力波觀測臺 LICO的儀器發現的 凱瑟琳說 對比兩個黑洞碰撞產生的引力波 暗物質大爆炸會產生其自己的時空聯誼 並帶有獨特的指紋圖譜 相較於黑洞產生的引力波 後者的峯值頻率會更爲尖銳 波形也有所不同 暗物質到底是由什麼構成的呢 科學家們認爲暗物質可能由微弱相互作用的重粒子WIMP 或者由未被發現的次原子粒子軸子組成 最近還有研究發現 暗物質可能由微小黑洞組成 WIMP是暗物質的主要候選粒子之一 是一種假設性的粒子 正如它們的名稱所示 WIMP沒有電荷 且被認爲與普通物質的相互作用很弱 這使得它們很難直接檢測到 它們也被認爲是一種質量巨大的粒子 其質量是質子的幾倍 WIMP被幾種超出粒子物理標準模型的理論所預測 包括超對稱理論 該理論提出了一類新的粒子 它們是標準模型粒子的超級夥伴 在一些超對稱模型中 這些粒子中最輕的是一種穩定的WIMP 它將是暗物質的一個自然候選者 目前 科學家們正在間接地尋找WIMPs 通過尋找它們與普通物質的相互作用產生的產物 例如它們在探測器中與原子核碰撞產生的加碼射線或帶電粒子 世界各地有幾個實驗 例如意大利的達曼、利布爾實驗和美國的Zena實驗 只在尋找這些難以捉摸的粒子 到目前爲止 還沒有直接探測到WIMP 但搜索仍在繼續 軸子是另一個暗物質主要候選粒子 是一種假設性的粒子 它們最初在1970年代被提出 作爲強合力理論中一個問題的解決方案 該理論負責將質子和中子結合在原子核中 軸子被預測爲非常輕 質量比電子小得多 它們也被期望與普通物質的相互作用非常微弱 與WIMP類似 使得直接檢測它們很困難 軸子是在早期宇宙中由產生暗物質的相同過程產生的 它們被認爲在早期宇宙中非常豐富 但隨着宇宙的擴展 它們已經被稀釋了 目前有幾個實驗正在進行中以尋找軸子 其中一種方法是在強磁場的存在下尋找軸子向光子的轉化 這種轉化會產生一個特徵信號 可以被靈敏的儀器檢測到 另一種方法是尋找軸子暗物質對類星體物體 如中子星或黑洞的影響 雖然目前沒有直接證據證明軸子的存在 但它們仍然是一個有說服力的暗物質候選粒子 對它們的搜索仍在繼續 微小黑洞是下一個暗物質的候選者 它們可能是將星系中的恆星們粘在一起的引力膠水 當前的物理學表明 微小的黑洞每個重量約爲一個小行星 可能在宇宙開始實行成 問題在於 我們相信黑洞會通過霍金輻射過程蒸發 這使它們無法成爲暗物質的候選者 霍金輻射指的是黑洞表面會向周圍空間發射出粒子和輻射的現象 在量子物理學中 空間並不是空虛的 而是充滿了虛粒子對的掌握 因此黑洞也不是完全黑的 霍金提出 當這些虛粒子對在黑洞附近被分離時 會導致黑洞表面產生粒子和反粒子 這些粒子和反粒子中的一個會被黑洞吞噬 而另一個則逃離黑洞 帶着能量和質量 就像黑洞表面輻射出了一些能量和質量一樣 越小的黑洞輻射得越強烈 然而 黑洞有兩個其他的性質 自旋和電荷 會影響它們的行爲 最近的研究表明 自旋和帶電的黑洞可能存活更長時間 甚至足夠長以成爲暗物質的可行來源 這樣的小黑洞可能填滿宇宙 提供了形成我們所看到的最大尺度的星系和星系團結構所需的引力粘合劑 當然 沒有實際證據表明這些小黑洞在早期宇宙中形成或在今天存在 但這個理論提出了更多理論工作的可能性 需要注意的是 以上這些理論並沒有解決暗物質的謎團 但它卻是開闢了新的可能性和探索途徑 迄今爲止 我們只能通過引力感知到暗物質的存在 而沒有觀測到其他的相互作用 另外 由威斯康星大學麥迪遜分校的物理學家提出 在我們的宇宙中可能存在由暗物質構成的整個行星 我們目前是通過觀察行星如何影響其母星的光線來探測外行星的 當這些行星經過我們的望遠鏡前時 它們會略微降低它們的母星的光線 使用這種方法 科學家團隊推測 如果望遠鏡探測到某些打破規則的星光干擾 它們可能會非常奇異 就像研究人員所稱的暗外行星 完全由暗物質製成 總之 暗物質佔據了宇宙物質的80%以上 但科學家們還不知道它到底是什麼 這仍然是一個科學家們在爲了決心要解決的謎團 好了 今天就講到這裏了 如您喜歡我的視頻 別忘了點贊 新知識正在來的路上 歡迎大家訂閱我的頻道 謝謝您的支持