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宇宙如何凝聚在一起,暗物质图谱揭示背后奥秘
2020/7/17 6:21:57 | 浏览:33 | 评论:0

我们早已知到宇宙中不止只有恒星

事实上,在地球自转时,没有没有任何物体因为离心力而被甩出,就佐证了有某种力量可能对物质产生约束。当深入研究这个现象时,我们发现了暗物质。

什么是暗物质,它又存在何处?

暗物质是人类已知但不可见的存在。我们可以通过一个破碎或不规则的玻璃证明暗物质的存在,其背后的原理是‘重力透镜’,即光束穿透玻璃表面时发生弯曲的现象,根据光线偏移的程度,我们还可以计算出该碎玻璃的厚度。

宇宙如何凝聚在一起,暗物质图谱揭示背后奥秘

上图为重力透镜效果模拟。图片来源:NASA/STSCI

暗能量调查项目(DES)利用重力透镜原理寻找暗物质时,观测到令人震惊的现象:暗物质似乎起着将宇宙凝聚在一起作用,类似于建筑上的脚手架的功能。这个‘脚手架’自宇宙大爆炸初始就已存在,其触角延绵至上千星系,并将它们紧束在一起。使用智利的布兰科望远镜,科学家观测到在恒星分布密集的地方存在黑色网状结构的暗物质。

宇宙如何凝聚在一起,暗物质图谱揭示背后奥秘

现在我们知道了暗物质在何处,那么,它究竟是什么呢?为了了解暗物质的本质,科学家决定使用位于欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)进行粒子加速器实验,即用巨大能量使粒子之间发生碰撞,然后观测该碰撞产生的效果。该实验使用原理与人类历史上最大规模的实验 – 1908年卢瑟福勋爵发现原子的实验 – 原理相同。那么,为什么我们无法捕获或触碰到暗物质呢?

宇宙如何凝聚在一起,暗物质图谱揭示背后奥秘

上图为大型强子对撞机(LHC)。图片来源:CERN

暗物质与星系

星系由三种基本成分组成:暗物质,恒星与气体云。当星系间相撞时,气体云会碰撞到一起,最后由于重力作用而合并,然而恒星则永远是毫发无损,在这个过程中隔开两个恒星的正是暗物质这个中介物。暗物质的这个运动轨迹揭示了其属性。

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上图为天线银河,由两个星系碰撞产生。 图片来源: ESA/Hubble NASA

在对子弹星系团碰撞的研究中,天文学家发现暗物质极少于其周边物质发生反应,事实上,它会尾随恒星的运动速度,从而阻隔恒星间碰撞。科学家用选取了一个视点或者说定格帧,将这个已存在1亿年的物质用动态3D 成像勾勒出来。其间,我们观测到星团中发生72次碰撞,得益于这些基数较大且及时的观测,我们确认了暗物质鲜与其他物质发生反应。

宇宙如何凝聚在一起,暗物质图谱揭示背后奥秘

第73次碰撞报告是对单独星系而非星团的观察。观察发现,在碰撞时星系间会有充分接触,巨大的重力会让他们相互间围绕旋转,最后相互穿越。在这个过程中,很小的摩擦力都会使暗物质产生可观测到的拉力,并作用于恒星周围。因为这次碰撞距离地球较近,且与重力透镜的角度吻合,给我们的观察提供了便利。但敏感测试表明,暗物质偏离了恒星。

因为实验中气体云速度减慢至消散点,无法作为校准暗物质行为的参照物,我们需另外寻找支点。但遗憾的是,因为摩擦力产生的偏移,另一个研究碰撞的方法(观察碰撞持续的时间)也不再适用。

尽管我们无法找到解释暗物质偏离于恒星的原因,杜伦大学的计算机宇宙学研究所(拥有全球最大超级计算机模拟系统)与粒子物理现象学研究所或许可以找到答案。如果模拟百万次星团碰撞,我们或许可以复制所观察到该偏移的路线。

宇宙如何凝聚在一起,暗物质图谱揭示背后奥秘

另一个萦绕在我们脑中的假想是,或许暗物质可以与非重力的其他外力相互作用?如果两个暗物质粒子发生相互作用,他们会需要另一种粒子作为作用力载体,这是否是突破暗物质研究的关键呢?

这80年来,科学家一直好奇平行宇宙是否存在,是否有一个黑暗而神秘的另一个世界。通过对暗物质的研究,谁都不敢断言等着我们发掘的未知领域会有什么。相关科学实验将在不远的未来为我们揭晓答案。

宇宙如何凝聚在一起,暗物质图谱揭示背后奥秘

上图为从地球观测的暗物质图谱,图片来源:Dark Energy Survey

作者:learning-mind

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