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「妖怪」!俺老孫收了你!

3月
30
2018

2018年3月30日06時 今日科學 紫圖圖書

紫圖圖書

自中國科學院獲悉,暗物質粒子探測衛星「悟空」獲得了世界上最精確的TeV電子宇宙線能譜(1TeV=1萬億電子伏特),該成果於北京時間2017年11月30日在Nature雜誌(《自然》)在線發表。「悟空」衛星的首批科學成果標誌著中國科學院、中國科學家長期以來在基礎科學前沿的投入和付出有了新突破。

上圖為「悟空」衛星工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜(紅色數據點),以及和美國費米衛星測量結果(藍點)、丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀的測量結果(綠點)的比較。

什麼是暗物質

當天文學家們跟蹤其他星系外圍的自轉曲線時,他們預想會看到這種向下傾斜的軌跡,但是問題在於他們並沒有。20 世紀 70 年代初,華盛頓的卡內基研究所的一位年輕的天文學家——薇拉·魯賓,開始用先進的成像儀器來測量星系的自轉曲線。

她的研究從附近的仙女座開始,但是她驚奇地發現,自轉曲線一直延伸到她所能測量的極限位置——這代表著無論恆星距離星系中心有多遠,它們繞轉速度都是相同的。她的測量還在繼續,而一個又一個的星系都表現出了這樣的結果。到了 1978 年,天文學家意識到他們對星系自轉的預想是錯誤的。

薇拉·魯賓

實際上,科學家們很快就意識到能夠解釋這一現象的唯一可能,就是星系的可見部分——我們已經研究過的恆星和塵埃雲——被巨大的不可見球狀物質所包圍,但是這些物質所導致的效應卻是我們能夠觀測到的。很快,這種物質就被命名為「暗物質」。

不管這種物質究竟是什麼,它都不能發出或者吸收光線以及其他電磁輻射,而且它也不會與普通物質發生除了引力之外的任何相互作用。這就意味著雖然我們可以通過觀測它在其他發光物體上的引力作用來探測它(比如它在自轉曲線上的作用),但是我們並不能夠直接看到它。

而計算結果顯示,像銀河系這樣的星系,星系總質量中超過 90% 的部分都是以這種新的(而且不可見的)形式存在。

在提出暗物質的概念之後,它在其他地方存在的證據也很快就被發現。舉例來說,在有些星團中,單個恆星的運轉速度相較於其他恆星能夠提供的引力來說顯然過快了。在這種情況下,為了保持恆星的速度,就需要存在其他的引力,而這些引力自然就是由暗物質所提供的。暗物質占了宇宙總質量的 23%。(參考數據:恆星這樣的可見物質只占了不到 5%。)

對緊鄰宇宙暗物質分布的模擬

「說人話」版本:暗物質的特點——神秘。

尋找暗物質

目前,全世界有很多暗物質搜尋項目。這種新形式的物質在宇宙的滲透,意味著暗物質的粒子無時無刻不在經過我們,卻沒有留下關於它的任何記錄(記住,它們不與任何普通物質發生相互反應)。實際上,因為地球一直在圍繞著太陽旋轉,那麼一定會有「暗物質風」不斷在我們身邊吹過,這就有點像當一個人開車穿過時會明顯感到一陣風吹過一樣。

探測暗物質,需要努力看到探測器中暗物質風和一個或者兩個原子撞擊這樣的罕見事件。很多過程,尤其是與宇宙射線的碰撞,可能會與原子進行碰撞,從而標記出非常模糊的類似暗物質的信號。所以,暗物質的搜尋往往被安置在地下的礦井或隧道之中,這樣上面的岩層就可以抵禦這樣的干擾。一個典型的暗物質搜尋實驗就被安置在明尼蘇達州北部一個廢棄的鐵礦井之中。這個鐵礦在索丹鎮,位於著名的梅薩比嶺的中部,20

世紀中期美國很多鐵礦都在梅薩比嶺被開採。(現在這個鐵礦是一個十分值得參觀的國家公園。)

在地下 600 米以下的內廳之中,一摞超純的鍺矽晶元被冷卻到將近絕對零度,科學家們希望經過這裡的暗物質風中一小部分的微粒能夠與它們中的原子發生反應,反應引起的震動則可以被晶體表面的儀器探測到。雖然有些研究組報導的結果讓人激動,但是迄今為止仍然沒有令人普遍信服的暗物質理論。這就意味著現在的情況是,我們知道星系中超過 90%

的部分是由一些新的物質組成的——但是我們不知道這種物質究竟是什麼。

圖為宇宙中暗物質的三維地圖。由於看遠處的物體等效於回溯過去,所以我們可以探尋出萬億年之中暗物質分布的演化。

「說人話」版本:暗物質好找嗎?——我問你,微風可以拂面,可你見過風的真實模樣嗎?

「悟空」號衛星:於2015年12月17日成功發射的中國科學系列首顆天文衛星。作為一顆暗物質粒子探測衛星,「悟空」正是追捕暗物質這一妖魔鬼怪的「齊天大聖」。科學家欲借「悟空」的火眼金睛,在茫茫太空中尋找暗物質粒子存在的證據,並進行天體物理研究。

為偉大祖國瘋狂鼓掌!!!

以上部分圖文來自《太空全書:美國國家地理百年探索珍貴圖集》,部分圖文來自網絡。

蒼穹之上,丈量宇宙,

致敬人類對未知的無限追求。


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