关于暗物质的十一大未解之谜

1930年代，一位名叫弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）的瑞士天文学家注意到，遥远星团中的星系相互绕行的速度比按其可见质量应有的速度要快得多。于是他提出一种看不见的物质，他称之为暗物质，可能用引力拖曳了这些星系。

 

那之后，研究人员证实了这种神秘物质在整个宇宙中都有，而且其质量是构成恒星和人等普通事物的一般物质的六倍。尽管整个宇宙中都充满了暗物质，但科学家们仍有许多不清楚之处。这是有关暗物质的十一大未解之谜。

 

什么是暗物质？

 

首先，也许是最令人困惑的是，研究人员也不清楚暗物质到底是什么。起初，一些科学家推测宇宙中消失的物质是由又小又微弱的恒星和黑洞组成的，尽管详细的观察并没有发现足够多的此类物体能够具备暗物质的影响。美国能源部费米实验室的物理学家唐·林肯（Don Lincoln）之前为生命科学网（Live Science）的撰稿就表达了这样的观点。根据林肯的介绍，目前对暗物质模型最有竞争力的说法是一种假设的粒子，称为大质量弱相互作用粒子，简称WIMP，其行为类似于中子，但质量是质子10至100倍。然而，这种猜想只会引发更多问题，例如……

 

我们可以检测到暗物质吗？

 

如果WIMP产生了暗物质，那么暗物质应该在我们周围，只是不可见且几乎不可检测。那为什么我们还没有找到呢？尽管它们不怎么会与普通物质发生反应，但暗物质粒子在穿过太空时总有少许机会撞击质子或电子等普通粒子。因此，研究人员进行了一个又一个的实验，研究地下深处的大量普通粒子，这些粒子不受模仿暗物质-粒子碰撞的干扰辐射。

 

问题是什么呢？经过数十年的探索，这些探测器中没有一个取得了可信的发现。今年早些时候，中国的PandaX实验报告了最新的WIMP结果：未检测到暗物质。加州大学河滨分校的物理学家于海波（Hai-Bo Yu）对生命科学网表示，似乎暗物质的粒子比WIMP小得多，或者它们的特征很难研究。

 

暗物质包含多种粒子吗？

 

普通物质由质子和电子等普通粒子，以及一些中微子，介子和介子等特殊粒子组成。因此，一些研究人员想知道，构成宇宙物质85％的暗物质是否也可能同样复杂。哈佛大学物理学家安德烈·卡兹（Andrey Katz）对生命科学的姊妹表示：“目前没有充分的理由认为宇宙中的所有暗物质都是由一种粒子构成。”卡兹说，暗质子可以与暗电子结合形成暗原子，产生与在可见世界中发现的结构一样多样且有趣的结构。尽管在物理实验室中，这样的看法已经越来越多，但迄今为止，科学家们一直在想办法确认或否认它们。[奇怪的夸克和μ子，我的天哪！剖析自然界中最细小的颗粒]

 

暗力量是否存在？

 

除了暗物质的其他颗粒外，暗物质还可能有与常规物质相似的作用力。一些研究人员已经探寻了“暗光子”，它们就像在普通粒子一样，交换的光子会产生电磁力，只是只有暗物质粒子才能感觉到它们。意大利的物理学家正在加紧准备将一束电子及其反粒子（称为正电子）粉碎成钻石。如果存在暗光子，则电子-正电子对可能会湮灭并产生一种奇怪的载力粒子，从而有可能打开宇宙的全新领域。

 

暗物质可能由轴子组成吗？

 

随着物理学家越来越不喜欢WIMP，其他暗物质粒子开始受到青睐。主要的替代品之一是一种假设的粒子，称为轴子，其重量极轻，它的1031倍的质量可能还比不过一个质子。现在有一些寻找轴子的实验。计算机模拟出了这样的可能性，即这些轴子可能形成星形物体，从而可能产生可检测到的辐射，该辐射与被称为快速无线电爆发的神秘现象非常相似。

 

暗物质的本质是什么？

 

天文学家通过与普通物质的引力相互作用，发现了暗物质，这表明这是使其在宇宙中存在的主要途径。但是，当试图了解暗物质的真实本质时，研究人员几乎没有什么可做的。根据一些理论，暗物质粒子应该是它们自己的反粒子，这意味着两个暗物质粒子在遇到时会相互歼灭。自2011年以来，国际空间站上的Alpha电磁光谱仪（AMS）实验一直在寻找这种湮灭的迹象，并且已经检测到数十万次。但科学家仍然不确定这些物质是否来自暗物质，该信号尚未能帮助他们准确确定什么是暗物质。

 

每个星系中都存在暗物质吗？

 

由于暗物质远远超过普通物质，因此通常认为暗物质是组织大型结构（例如星系和银河星团）的控制力量。不过奇怪的是，今年早些时候，天文学家宣布他们发现了一个名为NGC 1052-DF2的星系，该星系似乎几乎不含任何暗物质。耶鲁大学的彼得·范·多姆库姆（Pieter van Dokkum）当时说：“暗物质显然不是形成星系的必要条件。”然而，一个夏天后，一支独立的团队发布了一份分析报告，表明范·多姆库姆（van Dokkum）的团队测量了与星系的距离时出了错，这意味着它的可见物质比最初发现的暗淡得多且轻得多，而且其暗物质的质量也比之前预估的高。

 

DAMA / LIBRA的结果如何？

 

在欧洲，DAMA / LIBRA的实验结果令人费解，这是粒子物理学中一个长期存在的谜团。这个探测器位于意大利格兰萨索山下的地下矿井中，一直在寻找暗物质粒子的周期性振荡。当地球绕太阳运行时，会穿过太阳系的银河暗物质流（有时称为暗物质风），这种振荡就会产生。自1997年以来，DAMA / LIBRA声称能精确看到此信号，而其他实验没有看到过这样的信号。

 

暗物质带电荷吗？

 

从在时间存在之初就有一个信号，这让一些物理学家提出，暗物质可能带有电荷。距大爆炸仅1.8亿年后，处于宇宙初期的恒星发出了21厘米波长的辐射。然后，它被同时存在的冷氢吸收。当检测到这种辐射时，其特征表明这种氢比科学家预想的要冷得多。哈佛大学的天体物理学家朱利安·穆尼兹（JulianMuoz）推测，带电荷的暗物质可能从无处不在的氢中吸收热量，就像漂浮在柠檬汁中的冰块一样。但是这一猜想尚未得到证实。

 

普通粒子会分解成暗物质吗？

 

中子是具有有限寿命的常规物质粒子。经过大约14.5分钟，从原子中解脱出来的孤中子将衰变成质子，电子和中微子。但是根据《物理评论快报》（Julynal Physical Review Letters）的一项实验报告，两种不同的实验为这种衰变提供了略微不同的寿命，它们之间的差异约为9秒。今年早些时候，物理学家认为，如果在1％的时间里，某些中子衰变成暗物质粒子，则可以解释这一异常现象。来自新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的克里斯托弗·莫里斯（Christopher Morris）和他的团队监测中子的信号可能是暗物质，但无法检测到任何东西。这项研究表明，他们认为其他衰减情况仍然可能存在。

 

暗物质真的存在吗？

 

考虑到科学家检测和解释暗物质所面临的困难，理性的提问者可能会怀疑他们是否将这一切都弄错了。多年来，很少有物理学家提出这样的观点，即我们的引力理论可能根本就是错误的，而且基本力在大范围上的作用不同于我们的预期。这些想法通常被称为“修正的牛顿动力学”或MOND模型。它们假定没有暗物质，而恒星和星系彼此围绕和自转的超快速度是引力以惊人方式表现的结果。

 

物理学家唐·林肯（Don Lincoln）解释中写道：“暗物质仍然是未经证实的模型。”然而，反对者们还有很多问题尚未能说明清楚。最新的证据呢？也表明暗物质是真实的。