科學也可以如此靠近

「悟空」號發現的暗物質粒子,這種高大上的東西究竟是什麼?

3月
25
2018

2018年3月25日07時 今日科學 大美科學

大美科學

悟空號暗物質探測衛星

這兩天的科學圈算是炸了。我國自主研發的「悟空」號(DAMPE)暗物質探測衛星在500多天的觀測之後,發現了神秘的「新物理粒子」,這也許就是80多年來各國科學家爭相尋找的暗物質。

看到那個不太和諧的空色標識,那就是暗物質的例證

說到暗物質這種東西不但在科學界被大家討論,更多的「暗物質」都出現在了電影,小說,漫畫,反正就是扯出來各種高大上讓人們覺得這個「暗物質」,誰得到了誰就能天下無敵,打遍宇宙。同時也吸引了很多無知群眾的眼球認為這個東西簡直厲害的不要不要。

暗物質(dark matter)模擬圖

「悟空」發現「新物理粒子」可謂是一個壯舉,因為對於占浩瀚宇宙中95%的未知物質和能量,人類世界第一次看得這麼清楚。

那麼暗物質究竟是什麼呢?

「暗物質」這個東西,研究的人很多,天天掛在嘴邊的人也多。能解釋清楚的就並不那麼多了。更要命的是,如果僅僅是一個普通吃瓜群眾即使有專家給你甩出無數的科學術語及數據給你解釋,相信你也是一臉蒙蔽的

今天小編就要用大白話給大家講一講這個所謂的「暗物質」!

有人說過:「洞察宇宙的身世,是人類智慧的驕傲。」但我想他說這話時,恐怕沒把宇宙間最大一股勢力考慮進去——這就是暗物質和暗能量。

暗物質,英語叫Dark matter,是相對於我們常說的可見物質、普通物質,或者叫可觀測物質來說的,這種物質無法被人類直接看見或者觀測到。這也就是「暗物質」最大的特點,人家是隱身的不可被肉眼所看見的(此處請記筆記)。

可見物質之所以可見,就在於微觀尺度下,電子與光子發生相互作用,從而被我們肉眼看到,或者被各種觀測儀器捕捉到。而暗物質嘛,卻恰好相反。它根本不跟光波發生作用,對各種光作用都無動於衷。

之所以叫它暗物質,最主要就是因為看不見、測不到它,只好叫它「暗物質」,跟一般的『明物質』相對應。至於說,跟暗黑力量、黑暗世界、黑暗料理啥的,沒有任何關係。(關注微信公眾號:大美科學 漲姿勢哦~)

看不見、測不到,為啥科學家還能知道它存在呢?

天文科學歷史上的大家很早就做過各種猜想,其中一個就是「黑體」,這個「黑體」也就是大家現在提到的「暗物質」。

大佬「開爾文」就多次提到過

隨著天文學的發展「黑體」從一種猜想慢慢到了檯面上,變成了一種科學課題開始被各位大神研究。最先用理論將「暗物質」提上檯面的就是前無古人的大手子——愛因斯坦。

愛因斯坦和德西特聯手寫了一篇有關宇宙存在「看不見物質」的論文。

愛因斯坦在廣義相對論中得到推論:宇宙物質的平均密度必須達到5×10^-30克/立方厘米,這樣全宇宙才能保持穩定。但是推論畢竟是推論,當愛因斯坦提出這個理論後,很多後繼者隨著航天科技的發展,經過實地測量後得到一個驚人的事實。宇宙物質密度遠遠小於這個理論值,竟整整小了100倍。(此處應記筆記)那麼這些丟掉的質量去哪裡了?!

請看更多例證:

1932年,另一位荷蘭天文學家——揚·奧爾特(太陽系最外層奧爾特雲就是以他命名的),提出了銀河系中存在大量暗物質的設想。

1933年,在加州理工上班的瑞士天文學家茲威基,在推算星系團平均質量時,發現星系質量與觀測亮度相差160倍,因而推導出星系團里絕大部分物質都是看不見的。

像這樣的發現在科學界還有很多。

最直接的證據證明「暗物質」存在的當屬:「星系自轉問題」和「引力透鏡效應」。

1970年代,美國女天文學家薇拉·魯賓就是最早從「星系自轉問題」入手的。

大家都知道,太陽系裡的星球都繞著太陽轉,距離太陽越遠公轉速度越慢。根據這種定律旋轉的星系也應該依照這種規律才是。但是觀測結果又不對了,處在遠離中心的恆星,他們的公轉速度要比理論值快太多,哪裡來的其他引力在催動公轉?

這也就是暗物質的第二個特點:具有引力效應(此處應記筆記)

剛才說了,既然暗物質具有引力效應,就應該造成廣義相對論所預言的時空彎曲。(各種穿越,飛升都是由這個理論想像出來的。)

當光線透過彎曲的時空,就會產生偏轉,就像光線在稜鏡中出現折射現象一樣。這就是愛因斯坦早有預言、並在天文學界反覆觀測證實了的「引力透鏡效應」,於是也有人管這叫「愛因斯坦望遠鏡」。說白點,時空會彎,會折,還會透。

從此以後,利用這種引力透鏡效應,成為當代天文學家觀測大尺度範圍內的暗物質的最好方法。

這個暗星系全部由純暗物質構成。

就像上圖,我們觀測中什麼也看不到,無論是星雲,星體還是衛星等等全部都看不到。但是注意黃線圈的斷斷續續的部分真的存在著一個星系只不過它是隱形的。

這個暗星系被命名為VIRGOHI 21——看不見任何一顆恆星、星體等普通物質,但存在一個巨大的引力場。

我們總結出來了暗物質的第三個特點:存在引力場,並可以組成星系,它的大小我們並不知道。(此處應記筆記)

暗物質難道就在身邊?

首先,暗物質並非啥玄幻的東西,不是無處不在的,它只是在宇宙某些地方聚集成團。

至於啥分布規律?不得而知。因為從目前觀測來看,暗物質既存在於星系團周圍,也存在於看起來什麼都沒有的空間。(這也就是它的魅力之一)

哈勃望遠鏡曾繪製出了全宇宙(已知宇宙)的暗物質分布圖,當然這肯定是不精準的。但是通過它我們也能判斷出銀河系(離咱們還是挺遠的)周圍存在著大量的「暗物質」。

原因參照暗物質的特點二,根據引力理論,靠近銀河系中心的恆星,應該旋轉得比邊緣的恆星更快,但經過多年天文觀測發現,位於銀河系內部和邊緣的恆星們,大體都以同樣的速度繞著銀河系中心旋轉。(所以是誰在拉扯它們?)

根據引力理論科學家做過計算,如果內部及邊緣的恆星們圍繞銀河旋轉的速度大體相同,這就可以證明銀河系周圍至少存在這半徑大於銀河系10倍的暗物質才可以做到這種引力場。

暗物質當然也存在於地球,只不過我們看不到,所以就不以為然咯,當然暗物質粒子穿過地球也不會對我們造成什麼已知傷害,所以大家不用慌。

NASA繪製的暗物質穿過地球的示意圖

……科學家們窮盡各種方法,想要直接觀測到全宇宙最幽暗、最神秘的物質,一探究竟,到底是個神馬東東?

但是現在還知道的很少,我們只能知道他的一些特點及分布。從組成,到形態,到真正的觀測甚至都沒有(悟空這次算是真正的觀測到了一點點)。

目前為止,能夠確定的是,暗物質占整個宇宙物質成分的26.8%。暗物質的引力效應跟普通物質之間的引力一樣,使得它們聚集成團,彼此向內拉拽。

黑色的背景便是暗物質

宇宙大尺度結構是纖維狀結構和宇宙長城,這中間就是宇宙空洞,而支撐空洞存在的力量就是暗物質。

探究它有卵用?

雖然跟咱們關係不大,但是探究「暗物質」是必須的!

看到這個示意圖大家應該可以明白,我們現在眼睛可以看到的東西僅僅是這個宇宙中存在的4.9%,不還不到4.9%,因為宇宙的外太空,地外生命,宇宙中的很多未知,我們通過肉眼和現在科學知識可看,可測的還有太多沒有探究。我們現在真正看到的可能僅僅是4.9%中的4.9%……

史蒂芬·霍金曾經說過:「我們可能已經接近自然界的終極定律,有理由對此持謹慎樂觀的態度」,我寧願相信他是故意這樣說的,有意忽略掉當今宇宙學的幾大疑團,目的是為瞭望梅止渴,催人奮進。

看完這篇文章,我相信,小夥伴們肯定對於「暗物質」這種說不清的東西有了一個大概的了解了把。

「悟空」給我們帶來了距離暗物質最近的一次,下一次「悟空」還會給我們怎麼樣的驚喜呢!?

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