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暗物质是冷的、温的还是热的?

暗物质是冷的、温的还是热的?

暗物质是冷的、温的还是热的?

(神秘的地球uux.cn报道)据新浪科技:国外媒体报道,半个世纪前,科学家薇拉·鲁宾和肯特·福特证实了一种不可见物质——现被称为暗物质,他们认为暗物质是促使星系旋转的“动力”,现今科学家们提出了大量暗物质存在的证据,但似乎我们对这种神秘物质的了解还是不够的,例如:暗物质是冷的、温的还是热的?

尽管暗物质仅通过引力与普遍物质相互作用,但暗物质的数量非常多,占宇宙中所有物质的85%,它对塑造我们看到的所有物质具有关键的“幕后作用”,从银河系至连接遥远星系的纤细气体暗丝。

科学家关于暗物质的形式有很多观点,从被称为MACHOs的行星大小天体到像“大质量弱相互作用粒子(WIMPs)”的单个粒子,甚至部分科学家认为暗物质更小,像轴子和惰性中微子。

上世纪80年代,科学家提出了一种方法用于解释暗物质概念,他们将暗物质粒子分为冷、温或热三种类型,这些分类是基于每一种暗物质在早期宇宙中的运行速度,该速度取决它的质量,以及它诞生时周围环境的温度。

光,这种运行速度较快的粒子被称为热暗物质;质量较大、运行速度较慢的粒子被称为冷暗物质;而温暗物质则介于两者之间。

以该方式观察宇宙事物,大质量弱相互作用粒子是冷暗物质,惰性中微子是热暗物质,来自宇宙早期的残留中微子是热暗物质,相比之下,轴子是一个特例,既轻又极冷。

如果一个暗物质粒子较轻、速度较快,那么它在给定时间内会运行得更远,它将使沿途已经存在的任何结构变得平滑。另一方面,较慢、较冷的暗物质形式可能有助于构建结构,依据迄今我们所知和所见的宇宙现象,暗物质应该是某种混合物形态的一部分。

暗物质构建星系

尽管有许多关于每种暗物质候选物质类型何时和如何形成的理论,但科学家唯一确定的是,暗物质在大爆炸后大约75000年就已存在,从那时起,宇宙物质开始主导辐射,微小的结构种子开始形成。

大多数类型的暗物质粒子都是在新生宇宙炽热密集的原始汤中,由其他粒子之间的碰撞产生的,这与在大型强子对撞机等装置进行高能粒子碰撞产生的奇异新型粒子方式大致相同。伴随着宇宙不断膨胀和冷却,暗物质粒子最终会变成热、冷或者温类型暗物质,它肯定不止一种形态类型。

科学家描述称,虽然暗物质这一术语具有一些误导性,但暗物质能在宇宙中自由“流动”,它们不像漂浮在河流上的树叶,以协调一致的方式朝向同一个方向,它们不是在一个宇宙区域,之后又抵达另一处宇宙区域,它们是无处不在,向四面八方散播。

当暗物质在宇宙中流动的时候,每种类型的暗物质都会对天体结构的形成产生独特影响,要么增加该天体集中度,从而促进星系的形成,要么阻碍它们的增长。像WIMPs这样的冷暗物质,可能会形成块状天体结构,它移动非常缓慢,能够聚集在一起并形成引力井,从而捕获附近的宇宙物质。

冷、热、温暗物质

相反,热暗物质会是一种较平滑的团块物质,其运行速度较快,以至于它们能忽略引力井,这就是为什么科学家现在相信热暗物质的存在,例如:宇宙早期遗留下来的中微子。尽管中微子并不能代表暗物质,但这些中微子是迄今已知暗物质唯一的组成部分,它们对宇宙的进化具有重要影响。

你可能会认为,温暗物质是最佳暗物质类型,使宇宙充满了适宜孕育天体的充足条件,科学家认为惰性中微子是温暗物质的代表成分,而且从理论上讲,惰性中微子确实可以构成暗物质的主要成分。

但是大多数参数空间(可能存在的条件集),均已被排除,尽管当前中微子振荡仍可能发生,但通常中微子在太空中通过标准振荡变成惰性中微子的概率被认为非常小,估计在10万分之一至100万亿分之一之间。

接下来需要考虑的是轴子,不同于其他暗物质候选目标,轴子都非常轻,轻至可以更好地将其描述为波,其相关的作用场可以扩散数千米,而且温度极低,事实上轴子与其他形式的物质耦合形式非常脆弱,以至于宇宙早期原始汤中粒子疯狂碰撞几乎不会产生任何物质。它们形成暗物质的方式与其他暗物质候选目标不同,尽管宇宙早期处于高温状态,但轴子诞生时非常冷,并永远保持低温状态,这意味着它们是绝对冷的暗物质。

尽管轴子很轻,因为它们存在于接近绝对零度的温度条件,在该温度下所有粒子的运动都停止了,所以它们本质上是不运动的,它们是一种幽灵般的液体,任何物质都能穿过它。

寻找“各种各样”的暗物质

一些科学家认为,要解释我们在宇宙中看到的所有事物,需要不止一种类型的暗物质。在过去几年里,随着检测大质量弱相互作用粒子和通过大型强子对撞机碰撞产生暗物质粒子的实验均已失败告终,科学家进行越来越多的暗物质研究工作,致力于揭晓神秘的暗物质真实面纱。科技进步和精湛技术使科学家采取更多的搜索方案,这些方案可以迫使较轻、甚至更怪异的暗物质粒子从隐藏的区域释放出来。

其中一些努力利用了暗物质在创造过程中起到的作用。研究人员通过费米伽马射线太空望远镜寻找大质量弱相互作用粒子与其反粒子之间的碰撞迹象。

智利维拉-卢宾天文台使用全球最大的数码相机,对南部天空进行大规模勘测,勘测将完成的任务是通过观察暗物质如何弯曲人类所能看到星系的光线,从而更好地掌握宇宙中暗物质的分布状况。

它将以一种完全不同的方式告诉我们暗物质的本质,它分布越像块状一样集中,就越符合“暗物质是冷的”的理论观点。预计该相机将在10年内拍摄大约200亿个星系的图像,科学家希望从这些图像中推断出塑造它们的暗物质的基本性质。

我们不仅仅想知道暗物质是否存在,我们还希望了解宇宙学,真实知晓暗物质是什么?




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