【天文地理】一篇关于暗物质的科普强文
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暗物质的概念属于物理学中最简单的概念之一,然而从普通人类的视角出发,暗物质看起来又是神秘莫测的。我们每一个人都拥有五感,而所有这五感都源自某种电磁相互作用。
譬如说视觉,就是基于我们对光的敏感——所谓的可见光本质上就是属于特定频率范围内的电磁波。我们能够看见常见的物质,就是通过感受构成这些物质的原子所发出或者吸收的可见光。归根结底来说,原子中的电子和质子所携带的电荷就是我们能够看见事物的原因。
Chris Gash
然而物质并不一定要由原子构成。大多数物质可以由与原子完全不同的东西构成。能够像普通物质那样与引力相互作用的任何东西——比如说,能像普通物质那样聚拢成星系与星系团——都属于物质。
没有任何规律要求物质总是由带电粒子组成。但对我们的眼睛而言,不参与电磁相互作用的物质就是隐形的。所谓的暗物质完全不带(或者只是带一点极不显著的)电磁荷。无论是用肉眼还是用敏感的光学仪器,都没有人直接观测到暗物质。
然而由于其林林总总的引力效应,我们依然相信暗物质就在那里。这些引力效应包括暗物质对于我们银河系内恒星的影响(这些恒星的公转速度是如此之快,以至于单靠常规物质的引力是无法聚拢它们的);对于星系在星系群中的影响(同样单靠可见物质的引力无法解释星系如此之快的运动速度);对于从宇宙之初的大爆炸遗留至今的微波背景辐射的影响;对于从超新星爆发抛射出的可见物质抛射轨迹的影响;对于被称为引力透镜的宇宙中光线弯曲现象的影响;以及导致在合并的星系团中可见物质和不可见物质相互分隔开来的现象。
一个幽灵般的暗物质环悬浮在ZwCl0024+1652星系团中,这是迄今为止能够证明暗物质存在的最有力证据之一。天文学家推测这个暗物质环产生于两个巨型星系团的碰撞。
(Credit: ESA/Hubble)
说个冷笑话,你见过有人来急诊室处理光剑的伤口吗?好吧,没有笑就证明你不是星战的粉丝或者这个笑话真的冷若冰霜。如果认真对待这个笑话,会发现其实这中间讲述了关于暗物质的一些道理。
暗物质几乎占据了宇宙85%的重量,这意味着暗物质是那些我们所熟悉的构成恒星、行星、人类以及其他万物的“普通物质”的六倍之多。但是没有人准确地知道暗物质是什么。这个神秘的存在并不发光,研究起来极其困难,学者们也只能通过暗物质对天体的引力影响来揭示它的存在。
物理学家们提出了一系列的暗物质候选者,包括假设的粒子轴子(axions)、弱相互作用重粒子(WIMPs)以及无效中微子(sterile neutrinos)。但是其他的理论支持暗物质是由质量大于1克的物体组成的。这些理论中的宏观暗物质对象密度有可能非常高,类似于原子核的密度。如果是这样的话,这些物质在空间中的数量可能并不会太多,这意味着宏观暗物质会非常难以发现。
一张图告诉你一个更加复杂的暗物质范围。大家可以看到暗物质的可能范围包括Axion,WIMP等等。
(Credit: symmetrymagazine.org)
一名俄亥俄州克里夫兰的凯斯西储大学的物理博士生Jagjit Singh Sidhu表示,我们需要非常大或者非常老式的探测器来发现这些物质。但是科学家不一定需要去制造这些探测器,它们已经存在了,只要你知道去哪里寻找。这名研究者和他的两名合作者决定在非常普通的花岗岩台面里寻找这种物质的证据。
这种宏观暗物质如果存在的话,相对于太阳系的速度将会达到大约900,000公里/小时,与火箭速度相当。若是其中的一个粒子撞上了这个台面将会留下汽化的痕迹,即便是在岩石再固化后这种痕迹也会清晰可见。
三人于是写下了他们的这个想法并在今年5月把这个未公开的研究发布到了arXiv.org。文章引起了田纳西州范德堡大学物理与天文系的罗伯特∙舍尔教授的关注 (Robert Scherrer, physics and astronomy department at Vanderbilt University in Tennessee )。Singh Sidhu说几天后教授和他的合作者们在商量为什么不用人体来作为探测器呢?因为这些物质撞上人体的时候就会造成伤害呀。
这个想法从而引发了这个三人小团体的新研究。他们做了些新的计算,并考虑了这些宏观物质的速度、可能的大小以及质量。最后总结出如果真的撞上了人体,那撞击感受应该不会太愉悦,也可以说是“杯具”。
在这些研究者之前发表在arXiv的文章里,他们把这种被宏观暗物质“撞伤”和普通枪伤做了比较。但作者也认为这种类比并不是特别科学。如果一定要类比的话,被宏观暗物质撞伤的受害者应该更像是被星战里的绝地武士的光剑刺伤的样子。亲爱的读者,看到这里,再回头想想我们文章开篇时的那个冷笑话,是不是就理解了。哎,大热天里,我们关爱读者的方式之一就是讲讲天文冷笑话给大家解暑降温。
至少目前为止,我们还不知道这世界上有任何一起关于被绝地武士刺伤的案例。而这一点,也说明了一些暗物质的问题。我们已经知道暗物质在整个宇宙中的质量占比了,真的不容小觑。宏观暗物质即使仍然未知但也和暗物质的总质量紧密相关。如果它们质量更低,那应该分布更丰富才对。如果我们设定一个丰度的上限,要是超过了这个上限,我们就会看到被撞伤甚至致死的人类受害者。这个上限实际上就是对这种物质质量的约束条件。那么现实告诉我们, 宏观暗物质的质量需要达到很大才能造成伤害。
基于这个判断,我们可以对宏观暗物质有一定的了解。特别是当我们在一个又大又轻的广袤宇宙空间中来讨论这种假设的物质时,如果这种规模的暗物质存在,那么数量一定极少。尺寸上宽于1微米以及重量上轻于50千克的宏观暗物质应该就能够对人体造成伤害了。
Singh Sidhu 希望他们的计算和研究能引起更多的暗物质学者的重视,去全盘考虑更多的可能性。因为弱相互作用重粒子(WIMPs)和其他假设的粒子已经吸引了研究者们太多的注意力,大家需要跳出暗物质这个圈子来重新思考。
由超级计算机模拟出的暗物质分布。
(Credit: extremetech.com)
用罗伯特∙舍尔教授的话来给我们本周一冷笑话做个结尾: Singh Sidhu的想法拓宽了我们在界定暗物质时应该考虑的范围。有可能很多不同寻常的想法我们从来都没有考虑过,为何不多尝试一些想法,打破传统模型的桎梏呢?广撒网、多发现是个好策略。
PS. 如果有可能,笔者真的好想成为地球上第一个被宏观暗物质粒子撞伤的主角。这不是一个冷笑话。(啊哈哈哈哈哈哈)
其实爱因斯坦将引力定义为物质引起的时空弯曲效应。而 Verlinde 采用了一种时髦的观点:引力是种“诱导现象”(也译作“层展现象”)。时空和其中的物质只是全息图,它们背后是由量子比特构成的网络。这就好比电脑游戏由硅片上的经典比特编码而成。在诱导引力的框架下,Verlinde 认为暗能量源于量子比特的某种性质。在时空全息图的大尺度上,暗能量和普通物质相互作用,产生了存在“暗物质”的假象。
星系轨道之谜
在牛顿和爱因斯坦的理论中,引力遵循平方反比律:两个有质量物体间的引力与它们之间距离的平方成反比。这就意味着离星系中心越远的恒星受到的引力越弱,公转也越慢。在星系内部,情况的确如此,但当两者的距离达到某个临界值后,恒星的公转速度趋于平稳。Vera Rubin 在上世纪七十年代首次发现星系旋转曲线“平坦化”,这被公认为暗物质存在的铁证:星系周围的暗物质“晕”对外围恒星施加了额外的引力,使公转速度增加。
星系旋转曲线问题:根据平方反比律,恒星 B 比恒星 A 受到的引力弱,公转更慢;而实际观测到情况是当半径大于某个临界值时,恒星的公转速度不再下降。图片来源:Quanta Magazine
在上世纪七八十年代,包括 Milgrom 在内的一些研究人员另辟蹊径:对引力理论进行修正。早期的很多尝试被轻易排除,但 Milgrom 发现了制胜之道:当恒星的向心加速度(受引力作用而产生)低于某个值时,引力不再遵循平方反比律,而是与距离近似成反比关系。这个临界值等于0.00000000012 m/s2,相当于我们在地球表面感受到的重力加速度的千亿分之一。“引力修正理论中存在‘魔法’尺度,” McGaugh 说道,“高于这个尺度时,一切都很正常;低于这个尺度时,引力的行为出现异常。但现有理论无法解释这种突变如何产生。”
破解星系轨道之谜的两种理论:暗物质理论认为,巨大的暗物质“晕”对外围恒星施加额外的引力作用,使星系旋转曲线变得平坦;引力修正理论认为当半径大于临界值时,引力不再遵循平方反比律。图片来源:Quanta Magazine
时空密码
早在2010年,Verlinde 就有了关于新 MOND 的最初想法。这个想法基于他数月之前发表的另一篇著名论文,其中他大胆宣称引力并不存在。综合物理学前沿的很多概念和猜想,他得出结论:引力是一种热力学诱导效应,与熵增(混乱度的增加)有关。和现在的情况类似的是,当时专家们觉得“熵力”难以理解。不过那篇论文还是引起了许多讨论(引用超过500次)。
全息宇宙 图片来源:plus.maths.org
物理学家很快就得到了反德西塔(anti-de Sitter,AdS)空间中全息宇宙的数学“翻译”规则。但在我们生存的宇宙(德西塔时空几何)中,“翻译”规则复杂得多。Verlinde 在最新的论文中猜测,恰恰是德西塔时空的几何性质导致了存在暗物质的错觉。
德西塔宇宙 图片来源:criptogramas.wordpress.com
Verlinde 的理论面对的最大挑战是解释宇宙微波背景(cosmic microwave background,CMB)中的“暗物质踪迹”。CMB 是来自宇宙婴儿期的古老光线,观测数据(角功率谱)中存在一系列峰谷,这揭示了当时物质系统反复由于引力收缩、又因为自相互作用(压强)膨胀的过程。而暗物质不发生相互作用,它们只收缩不膨胀,这会调节 CMB 峰的幅度。暗物质理论对 CMB 峰的预言与观测数据相符。而传统 MOND 遭受的致命打击之一就是无法解释 CMB 角功率谱中峰的幅度。Verlinde 希望他的新工作可以奏效——物质与暗能量的引力效应可以彼此分离,产生不同的行为。然而他尚未对此进行全面的计算。
CMB 角功率谱 图片来源:ESA and the Planck Collaboration
由于拥有大量间接证据,学术界几乎达成共识:暗物质可能真的存在。即使暗物质理论可以解释一切,研究人员仍应重视不同的声音。
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