暗物质的主要成分

2016-07-18 13:06 作者:admin 来源:网络

成分测量

长久以来,最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子,它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子,只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当,甚至更长。

由于成团过程发生在比哈勃视界(宇宙年龄与光速的乘积)小的范围内,而且这一视界相对宇宙而言非常的小,因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多,质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大,这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构,而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系,定性上这是与观测相一致的。

相反的,对于相对论性粒子,例如中微子,在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点。无碰撞指的是暗物质粒子(与暗物质和普通物质)的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方,并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。

研究人员使用美国宇航局费米伽马射线太空望远镜对伽玛射线“光束”进行探测,试图确定暗物质是否会产生神秘的“光束”。当前的暗物质理论认为暗物质可能是一类被称为大质量弱相互作用粒子(WIMP),暗物质粒子质量可能比普通的粒子更大,而且不参与电磁力作用,运动的速度较为缓慢。大质量弱相互作用的粒子被认为拥有自身的“反粒子”,如果两个WIMP粒子碰撞,就是发生湮灭,并发出伽玛光子,这就解释了银河系中央暗物质集聚区为何发现神秘的伽玛射线“光束”,美国宇航局的费米空望远镜已经观测到了这个现象。


研究观点

英国天文学家里斯认为可能有三种候选者:第一种就是上面所述的小质量恒星或大行星;第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的200万倍太阳质量左右的大质量黑洞;第三种是奇异粒子,

如质量可能为20~49电子伏且与电子有联系的中微子,质量为105电子伏的轴子或科学家所赞成的各种大统一理论所允许和需求的粒子。

欧洲核子研究中心的粒子物理学家伊里斯认为,hv588鸿运国际晕及hv588鸿运国际团中最佳的暗物质候选者是超对称理论所要求的S粒子。这种理论认为:每个已知粒子的基本粒子(如光子)必定存在着与其配对的粒子(如具有一定质量的光微子)。伊里斯推荐四种最佳暗物质候选者:光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科学家还认为,这些粒子也是hv588鸿运国际团之间广大宇宙空间中的冷的暗物质候选者。跟普通物质一样,暗物质具有引力作用,几十亿颗恒星正是在它们的帮助下聚集到hv588鸿运国际里。但是这种物质很难与普通物质发生互动,人们看不到它。


常见粒子

中微子是唯一一种曾在实验室里发现的暗物质粒子,但是它们几乎是零质量,而且在暗物质的宇宙能量部分里仅占很小比例。天体物理学家认为,剩下的很大一部分是由弱相互作用大质量粒子(WIMP)构成,这种粒子的能量大约比质子多10到1000倍。如果两个暗物质粒子撞在一起,它们就会彼此摧毁对方,产生伽马射线。

一些星体演化到一定阶段,温度降得很低,已经不能再输出任何可以观测的电磁信号,不可能被直接观测到,这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。

还有另一类暗物质,它的构成的成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质,不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。

低温无碰撞暗物质

低温无碰撞暗物质(CCDM)被看好有几方面的原因。第一,CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二,作为一个特殊的亚类,弱相互作用大质量粒子(WIMP)可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱,那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后,由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计,这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是,在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。


中性子

其中一个候选者就是中性子(neutralino),一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础,它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子(尚未观测到),同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天,伴随粒子将都具有相同质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺,于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且,大部分超对称伴随粒子是不稳定的,在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是,有一种最轻的伴随粒子(质量在100GeV的数量级)由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中,这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的,那么当地球穿过太阳附近的暗物质时,地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意,这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。


轴子

另一个候选者是轴子(axion),一种非常轻的中性粒子(其质量在1μeV的数量级上),它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用,由此它无法处于热平衡状态,因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中,轴子处于低温玻色子凝聚状态,已经建造了轴子探测器,探测工作也正在进行。

虽然人们已经对暗物质作了许多天文观测,其组成成份至今(2011年)仍未能全然了解。早期暗物质的理论重在一些隐藏起来的一般物质星体,例如:黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。这些星体一般归类为晕族大质量致密天体 (MAssive Compact Halo Objects,缩写为:MACHOs),然而多年来的天文观测无法找到足够量的MACHOs。

渺中子湮灭产生次级粒子。当两个渺中子发生碰撞就会产生夸克、轻子和玻色子,它们又会通过低能光子、γ射线和衰变过程产生正电子、电子、中微子、反质子和质子。 一般认为,难以探测的重子物质(如MACHOs以及一些气体)确实贡献了部分的暗物质,但证据指出这类的物质只占了其中一小部分。而其余的部分称作“非重子暗物质”。此外,hv588鸿运国际转速曲线、重力透镜、宇宙结构形成、重子在hv588鸿运国际团中的比例以及hv588鸿运国际团丰度(结合独立得到的重子密度证据)等观测数据也指出宇宙中85-90%的质量不参与电磁作用。这类“非重子暗物质”一般猜测是由一种或多种不同于一般物质(电子、质子、中子、中微子等)的基本粒子所构成。

在众多可能是组成暗物质的成分中,最热门的要属一种被称为大质量弱相互作用粒子(英文叫做Weakly Interacting Massive Particle,简称WIMP)的新粒子。这种粒子与普通物质的作用非常微弱,以致于他们虽然存在于我们周围,却从来没有被探测到过。

还有一种被理论物理学家提出来解决强相互作用中CP问题,被称为轴子的新粒子,也很有可能是暗物质的成分之一。惰性中微子(sterile neutrino)也有可能是组成暗物质的一种成分.