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暗物质的11个未解之谜
2020-04-28160

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在1930 年代,一位名叫Fritz Zwicky的瑞士天文学家注意到,一个遥远星团中的星系彼此绕行的速度比给定的可见质量要快得多。他提出了一种看不见的物质,他称之为暗物质,可能是在引力上拖曳了这些星系。


从那以后,研究人员已经证实,这种神秘的物质可以在整个宇宙中找到,而且其含量是构成恒星和人等普通事物的正常物质的六倍。尽管在整个宇宙中都看到了暗物质,但科学家们大多仍在挠头。这是有关暗物质的11个最大的未解决问题。


什么是暗物质?


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                                                      暗物质之谜(图片来源:Shutterstock)

首先,也许是最困惑的是,研究人员仍然不确定暗物质到底是什么。最初,一些科学家推测宇宙中丢失的质量是由小的微弱的恒星和黑洞组成的,尽管详细的观察并没有发现足够多的此类物体来说明暗物质的影响,例如美国科学部的物理学家唐·林肯。能源公司的费米实验室(Fermilab)之前曾为《生命科学》撰稿。目前,暗物质斗篷的主要竞争者是一个假设的粒子,称为弱相互作用质量粒子(WIMP),其行为类似于中子,除了重于质子10至100倍(如林肯所言)。然而,这种猜想仅引发了更多问题,例如……


我们可以检测到暗物质吗?

如果WIMP产生了暗物质,那么它们应该在我们周围,不可见且几乎不可检测。那为什么我们还没有找到呢?尽管它们不会与普通物质发生很大的相互作用,但暗物质粒子在穿过太空时总是有轻微的机会撞击质子或电子等正常粒子。因此,研究人员进行了一个又一个的实验,以研究地下深处的大量普通粒子,这些粒子被屏蔽了可以模仿暗物质-粒子碰撞的干扰辐射。问题?经过数十年的搜寻,这些探测器中没有一个取得了可信的发现。今年早些时候,中国的PandaX实验报告了最新的WIMP未检测到。暗物质粒子似乎比WIMP小得多,当时告诉Live Science。


暗物质是否包含多个粒子?


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                                暗物质之谜(图片来源:Maria Starovoytova / Shutterstock)

普通物质由质子和电子之类的日常粒子,以及由诸如中微子,介子和介子之类的奇异粒子组成的整个动物园组成。因此,一些研究人员想知道,构成宇宙物质85%的暗物质是否也可能同样复杂。哈佛大学的物理学家安德烈·卡兹(Andrey Katz)对Live Science的姊妹网站Space.com表示:“没有充分的理由认为宇宙中的所有暗物质都是由一种类型的粒子构成的。” 卡兹说,暗质子可以与暗电子结合形成暗原子,产生与在可见世界中发现的一样多样且有趣的构型。尽管在物理实验室中越来越多地想到了这样的建议,但是迄今为止,科学家们一直想出一种方法来确认或否定它们。奇怪的夸克和白痴,天哪!剖析了自然界中最细小的颗粒 ]


是否存在黑暗力量?


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                                                暗物质之谜(图片来源:Shutterstock)

除了暗物质的其他颗粒外,暗物质还可能会受到类似于常规物质所感受到的力的作用。一些研究人员已经搜索了“暗光子”,就像在普通粒子之间交换的光子会产生电磁力,只是只有暗物质粒子才能感觉到它们。如《生命科学》先前报道,意大利的物理学家正在加紧准备将一束电子及其反粒子(称为正电子)粉碎成钻石。如果 确实存在暗光子,则电子-正电子对可能会and灭并产生一种奇怪的载力粒子,从而有可能打开宇宙的全新领域。


暗物质可以由斧子制成吗?

随着物理学家越来越不喜欢WIMP,其他暗物质粒子也开始受到青睐。领先的替代品之一是一种假设的粒子,称为轴子,它的重量极轻,升至31次方的重量可能仅比质子轻,只有10倍。现在正在一些实验中寻找轴力。最近的计算机模拟提出了这样的可能性,即这些轴可能形成星形物体,这可能会产生可检测的辐射,这与被称为“快速无线电爆发”的神秘现象非常相似,如《生命科学》先前报道。


暗物质的性质是什么?


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                                                      暗物质之谜(图片来源:NASA)

天文学家通过与普通物质的引力相互作用发现了暗物质,这表明这是使其在宇宙中存在的主要途径。但是,当试图了解暗物质的真实本质时,研究人员几乎没有什么可做的。根据一些理论,暗物质粒子应该是它们自己的反粒子,这意味着两个暗物质粒子在遇到时会相互歼灭。自2011年以来,国际空间站上的Alpha电磁光谱仪(AMS)实验一直在寻找这种an灭的明显迹象,并且已经检测到数十万个事件。科学家仍然不确定这些物质是否来自暗物质,并且该信号尚未帮助他们准确确定什么是暗物质。


每个星系中都存在暗物质吗?


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                                                   暗物质之谜(图片来源:Shutterstock)

由于暗物质远远超过了普通物质,因此通常认为暗物质是组织大型结构(例如星系和银河星团)的控制力。因此,奇怪的是,今年早些时候,天文学家宣布他们发现了一个名为NGC 1052-DF2的星系,该星系似乎几乎不含任何暗物质。耶鲁大学的彼得·范·多姆库姆(Pieter van Dokkum)当时对Space.com表示: “暗物质显然不是形成星系的必要条件。” 然而,在今年夏天,一个单独的团队发布的分析称,面包车多克姆的团队已经误测的距离星系,这意味着它的可见物质比第一认识更加暗淡和更轻,其质量的更多的则是在暗物质比为以前建议。


DAMA / LIBRA结果如何?


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                                                暗物质之谜图片来源:Pigi Cipelli / Getty)

在欧洲,称为DAMA / LIBRA的实验的令人困惑的结果是粒子物理学中一个长期存在的谜团。该探测器位于意大利格兰萨索山下的地下矿井中,一直在寻找暗物质颗粒的周期性振荡。当地球绕太阳运行时,它会绕过我们太阳系周围的银河暗物质流(有时称为暗物质风)飞行时,就会产生这种振荡。自1997年以来,DAMA / LIBRA声称能够精确看到此信号,尽管没有其他实验能看到这样的信号。

  


暗物质可以带电荷吗?


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                                                                           暗物质之谜(图片来源:Shutterstock)

从一开始就发出信号,导致一些物理学家提出暗物质可能带有电荷。距大爆炸仅1.8亿年后,处于婴儿期的恒星发出了波长为21厘米的辐射。然后,它被大约在同一时间的冷氢吸收。当今年2月检测到这种辐射时,其特征表明氢比科学家预想的要冷得多。哈佛大学的天体物理学家朱利安·穆尼兹(JulianMuñoz)假设,带电荷的暗物质可能从无处不在的氢中吸收热量,就像在柠檬水中漂浮的冰块一样,正如他当时对《生命科学》所说。但是这一猜想尚未得到证实。



普通粒子会分解成暗物质吗?

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                                                              暗物质之谜(图片来源:Shutterstock)

中子是具有有限寿命的规则物质粒子。大约14.5分钟后,从原子中解脱出来的孤中子将衰变成质子,电子和中微子。但是,根据《 Physical Review Letters》杂志 7月份研究中引用的实验,两种不同的实验装置对此衰减的寿命略有不同,两者之间的差异约为9秒。。今年早些时候,物理学家建议,如果有1%的时间,某些中子正在腐烂成暗物质粒子,则可以解释这一异常现象。来自新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的克里斯托弗·莫里斯(Christopher Morris)和他的团队监测中子的信号可能是暗物质,但无法检测到任何东西。研究表明,他们认为其他衰变场景仍然可能。


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