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宇宙"黑暗幽灵":或为惰性中微子(图)

揭主宰宇宙的“黑暗幽灵”:或为惰性中微子

  科学家在对宇宙微波背景辐射的观测发现,根据重子物质构成理论,如果没有暗物质介入,宇宙中无法演化出星系。

  据国外媒体报道,科学家已经发现宇宙中存在大量的暗物质,除了暗能量外几乎所有的宇宙质量都由暗物质提供,显然暗物质是宇宙质量的“巨人”,支配着我们宇宙中的星系。传统意义上暗物质可分为冷暗物质、热暗物质以及温暗物质,作为宇宙中看不见的质量,科学家试图将暗物质纳入标准模型之中,它影响着宇宙星系的演化、恒星诞生等一系列谜团

  到目前为止,科学家已经进行了多种暗物质探测实验,这些暗物质探索实验或许让人产生了某种联想,比如意大利格兰萨索国家实验室进行的DAMA/LIBRA暗物质探测实验、明尼苏达素丹地矿国家公园地下深处进行了CDMS暗物质探索计划等,当前使用较为广泛的是低温暗物质探测以及惰性液体探测器等。对于一位年轻理论宇宙学家而言,当前宇宙中有许多令人无法解释的现象,根据现有的宇宙理论以及天文观测结论,暗物质的确存在,我们需要重新思考这些统治宇宙神秘力量。

  宇宙中大约六分之五的物质是不可见的,早在1930年代,瑞士科学家弗里茨兹威基就发现螺旋星系旋转速度存在不明物质拉动,如果按照牛顿引力的计算,星系旋转时最外侧的线速度将过大,势必将把整个星系拖垮,因此需要在一种庞大的介质作用下才能保证星系按目前观测的速度旋转,这些看不见的物质就是后来人们认为的暗物质。到了1970年代,科学家观测收集到银河系以及一些本地星系群中其他星系的旋转曲线,曲线中的信息可得出在距离星系中央不同距离上天体运行的速度关系,如果星系外侧天体旋转的向心力由引力提供,那么离星系中央越远引力就越弱,旋转的速度就会降低,而科学家的观测却发现边缘天体的运行速度比理论要慢,这说明星系周围存在大量暗物质。

  对于暗物质是否存在,科学家在对宇宙微波背景辐射(CMB)的研究也得到了证实。微波背景辐射是宇宙大爆炸后留存的“余热”,大爆炸之后经历的暴涨时期使得宇宙逐渐冷却,大爆炸损失的能量我们可以在微波波段上看到,CMB的发现也暗示了宇宙诞生于一场大爆炸,同时科学家也发现了一个值为十万分之一的温变,根据宇宙中重子物质构成理论,十万分之一温变形成的各项异性还不足以使星系在宇宙中出现,而引入暗物质后该问题就迎刃而解,星系可以在140亿年的时间内大量形成。此外,科学家在对CMB谱密度主峰的测量发现了宇宙的几何形状,即宇宙空间接近平坦结构,证实了暴涨宇宙模型的预言。

  暗物质的成分一直以来是个未解之谜,科学家提出的理论中有一种被称为大质量弱相互作用粒子,即WIMP粒子,其特点是拥有较大的质量,与周围的物质不存在相互作用,因此我们可能通过电磁途径探测到该粒子的信号,其对应的暗物质粒子或为冷暗物质。CDMS暗物质探索计划的科学家曾经发现过类似WIMP粒子的踪迹,意大利萨索国家实验室进行的DAMA/LIBRA暗物质探测实验发现暗物质粒子可能存在年周期性的变化。

  也有假说认为暗物质粒子是一类超对称粒子,物理学家认为这些粒子的自旋差为1/2,其来自宇宙大爆炸,如果他们确实存在,欧洲大型强子对撞机就可能发现它们。目前,较为简单的暗物质粒子超对称理论已经被排除,科学家正在进一步验证更复杂的超对称模型,到了2015年,大型强子对撞机完成能量升级后将重新启动,剑桥大学的粒子理论学家Ben Allanach认为如果在对撞机重启后的未来一年还不能发现它们,该理论可能会被排除,而奇迹是否会发生呢?

  意大利萨索国家实验室的DAMA/LIBRA暗物质探测实验已经证实了可能有暗物质粒子导致的周期性信号,帕梅拉卫星和国际空间站上的阿尔法磁谱仪 (AMS)也观测到可能两个大质量弱相互作用粒子(WIMP)碰撞的信号,但科学家认为其或是反物质粒子的行为,并不是我们所期望的暗物质粒子踪迹。总体而言,对暗物质粒子的探索实验存在诸多怀疑的观点,曾经提出的多种可能性解释被不断地被排除。

  加州大学的宇宙学家迈克尔伊兰科尔钦去年针对冷暗物质模型进行了研究,模拟了矮球状星系在冷暗物质粒子介入下产生的变化,它们是一类位于银河系周围的迷你星系,通过模拟科学家希望发现恒星是如何在充满暗物质的环境下运行,并推测矮球状星系中的暗物质总量。在1980年代,科学家在对中微子进行研究时发现这些速度接近光速的古怪粒子群足以解释暗物质,但是之后的研究过度估计了该粒子的质量,基于中微子理论的热暗物质与冷暗物质粒子存在相反的特性,即运行速度太快以至于无法介入诸如星系这样的天体中。

  数年前,一组科学家发现暗物质并不太冷也不太热,这些“温”暗物质粒子可能是一类质量更大的中微子,即惰性中微子(sterile neutrino),除了引力作用外几乎无法探测到它们的行为。大型强子对撞机可能制造出惰性中微子与其他粒子碰撞的模型,如果温暗物质是一种解决方案,那么DAMA/LIBRA暗物质探测实验可能处于一个错误的探索方向上。对于宇宙中的暗物质分配问题,科学家认为该过程需要大量的能量,超新星可能是这一能量的唯一来源,最新的研究称暗物质粒子碰撞可形成明亮的伽马射线闪光,但是到目前为止还没发现此类信号。

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