揭秘暗能量:悟空,你为什么要去寻找暗物质?

12月17日8时12分,暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉成功发射升空。为更多了解关于暗物质的奥秘,我们围绕“悟空”升天这一事件与国家天文台天体物理科学家、《星际穿越》图书译者团队的苟利军、王岚、李然、王乔4位老师进行了讨论,以下是谈话内容的整理。

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暗物质是什么?

我们平时用绳子牵引着一个物体旋转时会感觉到,旋转速度越快绳子绷得越紧,这是因为物体旋转需要提供更大的向心力。宇宙中天体旋转时,提供旋转的向心力就是引力。

但在1933年,加州理工学院的天体物理学家弗里茨·兹威基却发现了星系之间相互绕转轨道有巨大异常。他通过天文观测,估算出星系间的相对运动速度、星系的质量,进而得到它对于其他星系的引力。这些星系的运动速度都很快,以至于引力无法将它们束缚在同一个星系团中。理论上,这个星系团必定会四处飞散,很快就被彻底摧毁。如果用绳子旋转的例子来说,就是绳子无法承受这样的速度而被甩断。

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(兹威基研究的后发星系团中的星系)

于是,兹威基作出了一个有根据的推测:后发星系团中一定充满了某种“暗物质”,它们的引力足够强,可以把星系团束缚在一起。

这就像是称体重一样,本来我们根据一姑娘的体型估测她体重是50kg,结果体重秤却显示有200kg。在检查了体重秤、引力都没有问题后,我们只能猜测姑娘身上有着某种我们看不见的东西占着很大一部分体重咯。

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这种看不见的物质,在科学上定义为看不见,即电磁相互作用很弱甚至没有的物质。但还好它们能产生足够大的引力,即使我们看不见,也有其他办法观测到它们。到20世纪70年代的时候,我们已经很清楚地知道所谓暗物质几乎弥漫于所有星系团甚至单个星系中。到21世纪初的时候,我们已经知道暗物质会对遥远星系的光线产生引力透镜效应。现在,这些透镜效应被用来探测宇宙中暗物质的分布。

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星系团Abell 2218中的暗物质对更遥远星系产生的引力透镜效应,图中被引力透镜作用的星系变为弧形(紫色圈出的星系)

暗物质弄明白了,那么,暗能量又是什么?

我们知道,宇宙起源于137亿年前的一场爆炸,科学家们称之为“宇宙大爆炸”(Big Bang)。虽然现在还不知道引起大爆炸的原因,但我们知道宇宙从那一刻起,就变成了充满高温气体的浩瀚海洋,并且向所有方向飞速膨胀。随着时间的推移,宇宙逐渐冷却,形成了各种构成我们宇宙物质的基本粒子。

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(我们所在宇宙的演化历程)

如果没有任何束缚的话,宇宙会不断膨胀下去。但宇宙中的所有物质(恒星、星系、星系团、暗物质等)之间都通过引力相互吸引。引力的存在应该会使宇宙减慢其膨胀速度。

但在1998年,两个研究小组却分别独立发现了震惊世人现象:宇宙正在加速膨胀!如果把我们的宇宙看作是一个正在吹起的气球的话,我们之前对宇宙膨胀的预测,应该是气球一端在进气,另一端在出气,气球膨胀速度应该越来越慢,甚至可能出现气球缩小的情况。但观测结果却表明,气球几乎没有出气,进气却越来越多,膨胀速度更快了!

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宇宙为什么会加速膨胀?

有两个可能:一方面,爱因斯坦的相对论引力定律有误;另一方面,宇宙中除了普通物质和暗物质之外,还有另一种物质存在,这种物质对引力有排斥作用。

许多物理学家坚决支持爱因斯坦的相对论物理定律,完全不想放弃它,所以他们倾向于排斥力。这种假想的具有排斥力的事物被命名为“暗能量”(dark energy)。

这个问题目前还没有定论,但是如果这一异常真的是由暗能量引起的,那么通过引力观测我们知道,在宇宙目前的总质量的大致占比,暗能量占68.3%,暗物质占26.8%,而构成你、我、行星、恒星和星系的普通物质(或者叫重子物质)则仅占4.9%。

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为什么这颗卫星命名为“悟空”?

据说科学家们之所以给这颗科学实验卫星取名“悟空”,正是期待它像那支著名的猴子一样有着身入险境的勇气,像齐天大圣的火眼金睛一样在茫茫太空中,识别暗物质的踪影,去“领悟太空”,最终跟斗战胜佛一样取得暗物质的真经。

(原来如此,但科学家们就没计算过天宫一号的心理阴影面积呢?)

“悟空”是什么?

悟空的更准确的说是一颗空间高能粒子探测器,主要探测电子宇宙射线、高能伽马射线和核素宇宙射线等。如果看侦探小说就会知道有一个罗卡定律——“凡有接触,必留痕迹”。暗物质粒子可能会因为碰撞湮灭或衰变,而发出宇宙射线,我们就可以通过这些宇宙射线产生的痕迹,即特定能谱来探测暗物质。

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(暗物质粒子探测卫星 DAMPE“悟空”)

暗物质粒子探测卫星“悟空”是我国发射的首颗科学实验卫星,也是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星,它的复杂度和工程实现难度都远超以往。它可以测量入射粒子的电荷数、入射方向及入射能量,进而区分入射粒子的种类。根据探测得到的数据,我们就有可能反推出暗物质存在的证据。

探测暗物质的意义是什么?

其实,我们现在已经发现了一些暗物质,比如中微子就是其中一种,但根据计算发现中微子质量所占比例非常小,所以宇宙中肯定还有更多尚未被人们发现的暗物质存在。向空间发射探测卫星就是其中的一个手段,美国也有类似的探测行动,但从反馈数据来看,置信度不够高,并不足以作为宇宙存在大量暗物质的证据。

我们知道2013年上半年欧洲核子研究组织宣布,确认发现希格斯玻色子,标准模型中预言的最后一种基本粒子被找到,填上了标准模型挖的坑。2013年的诺贝尔物理学奖也毫无悬念地颁给了在希格斯玻色子研究中做出重大贡献的弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯。

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(探测希格斯玻色子时的质子-质子碰撞轨迹图)

科学研究经常就是先假定一个理论,挖一个大坑,然后再由大家合力把这个坑填上。如果暗物质粒子探测卫星“悟空”能发现宇宙中大量暗物质存在的证据,就相当于挖了一个更大的坑,让我们更进一步理解我们的宇宙。这个发现肯定是诺贝尔奖级别的,而且会催生更多诺贝尔奖级的研究出现。

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现阶段可能很难找到直接应用的例子说明探测暗物质的实际意义。就像爱因斯坦提出相对论,哥本哈根学派发展量子力学一样,当时的人们也不会想到这些理论对我们现在生活有这么大影响。我们每天应用的卫星GPS定位就需要应用相对论进行修正,还有现在新兴的量子力学计算机也可能成为未来计算机的发展方向。

如果要用一个通俗的比方,来说明科学家们探索宇宙中暗物质的目的的话,可能就像那个称体重的姑娘一样,发现自己的体重跟预期的偏差很大,总要找出理由来解释一下。或者,我们也可以根据这些新的科学发现,产生像《星际穿越》这样优秀的科幻电影和图书。

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  1. >3<知足$_$ 5
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    宇宙的浩荡还需要我们继续去认识 我们对他的了解将会越来越多

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