暗物質的分布

2016/11/11 14:40:00

天文學的觀測表明，宇宙中有大量的暗物質，特別是存在大量的非重子物質的暗物質。據天文學觀測估計，宇宙的總質量中，重子物質約占2%，也就是說，宇宙中可觀測到的各種星際物質、星體、恒星、星團、星云、類星體、星系等的總和只占宇宙總質量的2%，98%的物質還沒有被直接觀測到。在宇宙中非重子物質的暗物質當中，冷暗物質約占70%，熱暗物質約占30%。

宇宙中的某些地方沒有任何暗物質和可見物質，而它們在另外一些地方卻異常密集：暗物質聚集在一起，星系則掛靠在暗物質上，就像掛在鉤子上的畫。

美國明尼蘇達大學科學家安吉拉-雷塞特爾是“低溫暗物質搜尋計劃”項目組成員之一。雷塞特爾表示，“就在我們的周圍，存在一種暗物質流。每時每刻都存在一種交互�！彼�是在美國物理學會一次會議上發表這一理論的。在最新一期《科學快訊》雜志上，雷塞特爾和同事們發表論文聲稱，他們發現了兩起事件，這些事件可能就是由暗物質撞擊探測器所引起的。雷塞特爾表示，“我們此前的探測結果從來沒有如此發現，這是首次�！�

“低溫暗物質搜尋計劃”位于明尼蘇達州地下大約700米的一個礦井中。因此，礦井可以阻止其他任何物質抵達實驗設備，除了暗物質。這樣宇宙射線和其他粒子可能會與暗物質粒子混淆的可能性已基本被排除。探測器本身也主要是由鍺元素或硅元素組成的曲棍球形狀的小塊。如果鍺或硅原子的原子核被暗物質粒子擊中，它就會反彈并向探測器發送一個信號。

科學家發現，宇宙中的暗物質與一些小型的臨近星系密切相關。這些星系只有數顆恒星，但它們的質量卻是這些恒星單獨質量的一百倍。這種隱藏的物質就被科學家稱作暗物質。

然而，研究人員也無法完全確定他們所探測到的兩個信號究竟是由暗物質粒子還是由其他粒子引起的。這兩個信號太少，因此科學家們也無法確定。據科學家介紹，他們的計算曾經預測到背景可能會引起一次假事件�！暗蜏匕滴镔|搜尋計劃”將繼續進行他們的實驗以期發現更多實質性的信號。

地球上另一項探尋暗物質的嘗試聚焦于強大的粒子加速器，這類加速器可以將亞原子粒子加速到接近光速，然后讓它們相互碰撞�？茖W家們希望通過這種難以置信的高速碰撞從而產生奇異粒子，其中包括暗物質粒子。

然而，即使采用最強大的粒子加速器，至今也未能發現暗物質的任何跡象。美國馬里蘭大學科學家薩拉-恩諾表示，“你也許會問為什么會這樣，為什么組成宇宙大部分的物質粒子為什么在我們的加速器中從來沒有發現過。”原因之一可能就是他們的加速器還沒達到足夠強大。

科學家們也無法確定暗物質粒子究竟有多大，有多重，以及究竟需要多大的能量才能夠在實驗室中發現它們�；蛟S在任何加速器中都無法找到暗物質粒子。恩諾表示，“我們或許不知道這樣一個事實，那就是暗物質粒子是我們無法制造或探測到的粒子�！�

最大的希望就寄托于新型的粒子加速器大型強子對撞機身。恩諾表示，“大型強子對撞機或許會最終讓我們獲得足夠的能量以產生暗物質粒子，并在撞擊中發出它們�！倍髦Z也是大型強子對撞機緊湊型μ子螺旋型磁譜儀實驗項目組成員之一。

然而在小一些的尺度上，從1Mpc到星系的尺度（Kpc），就出現了不一致。幾年前這種不一致性就顯現出來了，而且它的出現直接導致了“現行的理論是否正確”這一至關重要的問題的提出。在很大程度上，理論工作者相信，不一致性更可能是由于我們對暗物質特性假設不當所造成的，而不太可能是標準模型本身固有的問題。首先，對于大尺度結構，引力是占主導的，因此所有的計算都是基于牛頓和愛因斯坦的引力定律進行的。在小一些的尺度上，高溫高密物質的流體力學作用就必須被包括進去了。其次，在大尺度上的漲落是微小的，而且我們有精確的方法可以對此進行量化和計算。但是在星系的尺度上，普通物質和輻射間的相互作用卻極為復雜。在小尺度上的以下幾個主要問題。亞結構可能并沒有CCDM數值模擬預言的那樣普遍。暗物質暈的數量基本上和它的質量成反比，因此應該能觀測到許多的矮星系以及由小暗物質暈造成的引力透鏡效應，但是觀測結果并沒有證實這一點。而且那些環繞銀河系或者其他星系的暗物質，當它們合并入星系之后會使原先較薄的星系盤變得比觀測到得更厚。

暗物質暈的密度分布應該在核區出現陡增，也就是說隨著到中心距離的減小，其密度應該急劇升高，但是這與我們觀測到的許多自引力系統的中心區域明顯不符。正如在引力透鏡研究中觀測到的，星系團的核心密度就要低于由大質量暗物質暈模型計算出來的結果。普通旋渦星系其核心區域的暗物質比預期的就更少了，同樣的情況也出現在一些低表面亮度星系中。矮星系，例如銀河系的伴星系玉夫星系和天龍星系，則具有與理論形成鮮明對比的均勻密度中心。流體動力學模擬出來的星系盤其尺度和角動量都小于觀測到的結果。在許多高表面亮度星系中都呈現出旋轉的棒狀結構，如果這一結構是穩定的，就要求其核心的密度要小于預期的值。

可以想象，解決這些日益增多的問題將取決于一些復雜的但卻是普通的天體物理過程。一些常規的解釋已經被提出來用以解釋先前提到的結構缺失現象。但是，總體上看，觀測證據顯示，從巨型的星系團（質量大于1015個太陽質量）到最小的矮星系（質量小于109個太陽質量）都存在著理論預言的高密度和觀測到的低密度之間的矛盾。