暗物质发现的证据

2016-07-18 13:04 作者:admin 来源:网络

暗物质发现的证据


1915年,爱因斯坦根据他的相对论得出推论:宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为:宇宙是有限封闭的。如果是这样,宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是,迄今可观测到的宇宙的密度,却比这个值小100倍。也就是说,宇宙中的大多数物质“失踪”了,科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。

最早提出证据并推断暗物质存在的是20世纪30年代荷兰科学家Jan Oort与美国加州理工学院的瑞士天文学家弗里兹·扎维奇等人。

1932年,美国加州工学院的瑞士天文学家弗里兹·扎维奇最早提出证据并推断暗物质的存在。弗里兹·扎维奇观测螺旋hv588鸿运国际旋转速度时,发现hv588鸿运国际外侧的旋转速度较牛顿重力预期的快,故推测必有数量庞大的质能拉住hv588鸿运国际外侧组成,以使其不致因过大的离心力而脱离hv588鸿运国际。

弗里兹·扎维奇发现,大型hv588鸿运国际团中的hv588鸿运国际具有极高的运动速度,除非hv588鸿运国际团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上,否则hv588鸿运国际团根本无法束缚住这些hv588鸿运国际。

暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物,之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知,但是到了80年代,占宇宙能量密度大约20%的暗物质已被广为接受了[2]  。

在引入宇宙膨胀理论之后,许多宇宙学家相信我们的宇宙是一个平行的空间,而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的(这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的)。与此同时,宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙,其中能量密度都以物质的形式出现,包括4%的普通物质和96%的暗物质与暗能量。但事实上,观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差,但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值,而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。

不过,我们忽略了极为重要的一点,那就是暗物质促成了宇宙结构的形成,如果没有暗物质就不会形成hv588鸿运国际、恒星和行星,更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性,但是在小一些的尺度上则存在着恒星、hv588鸿运国际、hv588鸿运国际团以及hv588鸿运国际长城。而在大尺度上能够促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力,因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落,而这些涨落会在宇宙微波背景(CMB)中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹,因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。

另一方面,不与辐射耦合的暗物质,其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后,已经成团的暗物质就开始吸引普通物质,进而形成了我们观测到的结构。这需要一个初始的涨落,但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质,由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。

在开始阐述这一模型的有效性之前,必须先交待一下其中一件重要的事情。对于先前提到的小扰动(涨落),为了预言其在不同波长上的引力效应,小扰动谱必须具有特殊的形态。为此,最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说,如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和,那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。“大爆炸”初期暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱(其谱指数n=1)。WMAP的观测结果证实了这一预言。

但是如果我们不了解暗物质的性质,就不能说我们已经了解了宇宙。我们还不清楚暗物质的特性,甚至还没有一种理论说有某个备选粒子可能是暗物质的基础离子。