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宇宙中存在僅由暗物質構成的星球嗎?

2021-06-01知識

你可以了解一下廣義暗物質,然後發現「小醜竟是我自己」:

  • 對我們現有的觀測力來說,從太陽系外的大部份恒星附近觀測,地球就是「僅由廣義暗物質構成的星球」。
  • 另一方面,「狹義暗物質聚集而成的東西」並不算是口語所稱的「星球」。

    狹義的 暗物質是 不參與電磁交互作用 的物質,人的肉眼看不見,光學望遠鏡、射電望遠鏡之類基於電磁波的裝置也看不見。不過,人類可以借助弱交互作用和重力交互作用觀測到這些暗物質,也可以透過電磁交互作用觀測暗物質對其它物質的影響而間接觀測暗物質 [1]

    上述定義並不排除「暗物質有可能參與弱交互作用」之類。人類已經知道微中子不參與電磁交互作用而參與弱交互作用。人類修建的暗物質體子探測裝置在基本排除宇宙線與自然本底放射線影響後也確實觀測到一些東西撞擊原子核產生的訊號,它的變化規律不能歸結到太陽系內已知天體的活動上。

    廣義的 暗物質是在我們目前的條件下 不能靠電磁波觀測 的物質,包括重子暗物質和非重子暗物質 [2] 。重子暗物質是參與電磁交互作用的,例如非常稀薄的星際分子雲、附近缺乏光源的星際行星和褐矮星、遙遠的暈族大品質致密天體 [3] 。你的身體也主要是重子物質。

    觀測不到一部份重子物質,是因為對我們手裏的望遠鏡來說目標在其距離上看起來光度太低,而它實際上未必暗到哪去 [4]

    非重子暗物質的類別

    你有時候會在科技新聞裏看到「非重子暗物質」「冷暗物質」之類詞語。 非重子暗物質 是不參與電磁交互作用的物質,也就是狹義的暗物質,可根據運動速度分為熱暗物質、溫暗物質、冷暗物質。

    ●熱暗物質 粒子的運動速度接近真空光速,例如 微中子 。微中子可以被專門設計的大科學裝置觀測,例如日本的超級神岡探測器。

    1998年,超級神岡探測器首次發現了微中子震蕩的強烈證據,其觀測到了緲子微中子轉變為τ子微中子的現象,顯示微中子具有品質。梶田隆章在該年的「微中子物理學·宇宙物理學國際會議」上發表該結果,以此研究獲得2015年諾貝爾物理學獎。

    ●溫暗物質 粒子的運動速度足以產生相對論效應,但距離真空光速尚遠,例如惰性微中子 [5] ,在標準模型裏它只參與重力交互作用;

    ●冷暗物質 粒子的運動速度遠低於真空光速,目前認為可能由大品質弱交互作用粒子(例如最輕的超中性子 [6] )組成,也有軸子等假說(一些學者對軸子的存在很沒有信心,2020年底大規模的軸子驗證實驗最終得到了零結果,意味著軸子即使存在,也比過去預測的更難探測)。

    當然, 足夠多的重子暗物質可以直接覆蓋冷暗物質的功能 。也有一些學者希望用大量的 原初黑洞 來解釋暗物質。

    為何引入暗物質的概念

    引入暗物質的概念是為了解釋星系自轉問題等表現出異常重力的觀測事實,不同星系自轉的情況有差異,有些需要的暗物質含量幾乎為零,有些則異常多。暗物質也在大尺度結構形成過程的模擬中 成功解釋了星系團動力學 ,並 正確地預測了重力透鏡觀測的結果

    在歷史上,最早提出暗物質相關證據的是揚·亨德瑞克·奧爾特,在1932年他根據銀河系恒星的運動提出銀河系應該有更多的品質。

    1933年,弗裏茨·茲威基在研究後發座星系團時,使用維裏定理推斷其內部有看不見的品質。

    1959年,Louise Volders指出螺旋星系M33的轉動不遵循克卜勒定律 [7]

    到了1970年代,這情況擴充套件至許多其他的螺旋星系。

    本來,人們覺得在螺旋星系盤面上的物質(例如恒星和瓦斯)環繞星系中心核球旋轉的軌域應該與太陽系的行星一樣遵循牛頓力學,在足夠遠的距離上,天體的平均軌域速度應該依照品質分布遞減,與軌域距離的平方根成反比。而觀測事實是,中心核球外的軌域速度相對於距離幾乎是個常數。

    薇拉·魯賓推測在遠離星系中心的地方有不發光的龐大品質拉住星系外側的物質,在1980年將結果發表為一篇有影響力的論文 [8]


    2006年,美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E 0657-558進行觀測,無意間發現這個星系團是兩個大星系團碰撞形成的,此撞擊使暗物質與正常物質分開,成為 暗物質存在的直接證據 [9]

    Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

    錢德拉望遠鏡利用X射線探測到的灼熱瓦斯在這張照片中顯示為兩個粉紅色團塊,包含了這兩個星系團中大部份常規物質。藍色則是其大部份品質所在的地方,這是由重力透鏡效應顯示的:來自遙遠物體的光被品質引起的空間彎曲所扭曲,扭曲程度大大超過熱瓦斯造成的影響。而這部份品質並不發出可見光。

    在碰撞過程中,熱瓦斯會發生交互作用而受到阻力,而不參與電磁交互作用的暗物質不會因撞擊而減慢,造成暗物質與常規物質分離。

    科學家們發現螺旋星系NGC 4736的旋轉能完全依靠可見物質的重力來解釋,也就是說這個星系幾乎沒有暗物質。

    由R. Jay GaBany, Spitzer Legacy Program, GALEX Nearby Galaxy Survey - http://www.cosmotography.com/images/small_new_m94_announcement.html

    與此同時,蜻蜓44等星系的暗物質含量達到了物質的300倍左右 [10] 。「宇宙的固有性質」是不能一會有效一會無效的。這就說明暗物質不是「空間的固有性質」「距離產生的觀測偏差」之類。

    要假定暗物質不存在,能接替的已知手段有:修改重力理論,建立完善的量子重力理論,將額外的重力場歸結於量子真空,或者選擇等離子宇宙論。

    ●等離子宇宙論假定宇宙中99%的物質是電漿態、電磁力在大尺度上壓倒重力並決定星系的自轉等現象。這是非標準宇宙論,在暴漲宇宙論的各種鐵拳證據面前很難站得住。

    ●所有對重力動手的辦法都是在牛頓和愛因史坦的基礎上修修補補來解釋星系自轉問題,但它們會帶來更多的問題。

    ●量子重力是統一重力與量子力學的重要理論,但目前還沒建立起來。

    參考

    1. ^ 人類修建的暗物質體子探測裝置在基本排除宇宙線與自然本底放射線影響後已經觀測到一些東西撞擊原子核產生的訊號,它的變化規律不能歸結到太陽系內已知天體的活動上。
    2. ^http://pdg.lbl.gov/2010/reviews/rpp2010-rev-dark-matter.pdf
    3. ^ (中小型黑洞、中子星、較暗的白矮星)
    4. ^ 要知道,以我們現在貧弱的觀測能力,100光年內可能還有尚未發現的若幹顆紅矮星及圍繞它們運轉的大量行星。
    5. ^https://science.sciencemag.org/content/317/5844/1527.abstract
    6. ^ 超對稱假設的一種馬約拉納費米子 https://arxiv.org/abs/hep-ph/9709356v5
    7. ^http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?bibcode=1959BAN
    8. ^https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1980ApJ...238..471R
    9. ^https://chandra.harvard.edu/photo/2006/1e0657/
    10. ^ 2016年的觀測數據認為有一萬倍,2020年的最新數據是300倍左右 http://dx.doi.org/10.1093/mnras/staa3016