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既然看不见也摸不着,为什么科学家却相信,宇宙中充斥着暗物质?

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科学家告诉我们,宇宙中很可能充斥着一种被称为“暗物质”的神秘物质,以至于在可观测宇宙中,它们的总质量是普通物质(即我们可以直接探测到的物质)的5倍有余,由于这种物质几乎不参与电磁相互作用,所以对于我们来讲,这种物质看不见也摸不着,也正因为如此,它们才被称为暗物质。



那么,既然看不见也摸不着,为什么科学家却相信,宇宙中充斥着暗物质呢?下面我们就来聊一下这个话题。

从20世纪初开始,科学家就发现了一种现象:在一些星系中,恒星的运动模式似乎“很不正常”,因为它们围绕星系中心运动的速度实在是太快了,而以它们的速度,仅凭星系中可见物质产生的引力根本不可能对其进行有效地束缚。

在此之后,随着观测水平的日益进步,科学家逐渐意识到,这样的现象在宇宙中普遍存在,观测数据表明,大量星系的旋转速度都远远超过了理论值的上限,甚至连我们所在的银河系也不例外。为什么会这样呢?一种合理的推测就是,应该是有某种不可见的物质产生了“额外”的引力。是的,这种假想中的“不可见的物质”,后来就被称为暗物质。



由此可知,虽然暗物质是不可见的,但它们却有质量,可以产生引力,进而影响到周围的普通物质,而这正是科学家最初意识到暗物质可能存在的原因。

根据广义相对论,引力的本质其实是时空的弯曲,而由于暗物质对光是“透明”的,因此在暗物质密集的区域附近,来自远方的光线的传播路径就会出现明显的畸变,进而产生一种特殊的“引力透镜”效应,所以从理论上来讲,通过对这种现象进行观测,我们就可以间接地“看”到暗物质的存在。

实际上也确实是这样,在过去的日子里,科学家已经通过这种现象观测到了很多疑似暗物质存在的迹象,比如说有一个很直观的例子就是“子弹星系团”,这个星系团在天空中位于船底座,它其实是由两个处于碰撞阶段的星系团组成。



研究表明,在“子弹星系团”中,通过“引力透镜”信号推断出的“暗物质”分布(上图中的蓝色区域),与通过X射线信号绘制的发光物质的分布(上图中的红色区域)并不重合。

科学家推测,之所以会出现这样的现象,应该是因为在碰撞的过程中,星系团中的普通物质之间发生了大量的电磁相互作用,而其中的“暗物质”却“波澜不惊”地穿过了彼此。

实际上,在其他方面也存在着疑似暗物质存在的迹象,比如说宇宙中的大尺度结构,根据目前的宇宙学模型,如果只考虑普通物质的引力作用,那就无法解释这些结构的形成和演化,而加入了暗物质的引力效应,就可以很好地解释这些它们的形成。



又比如说宇宙微波背景辐射的各向异性。简单来讲,宇宙微波背景辐射是宇宙中最早的光子的残余,是大爆炸宇宙论的关键证据之一。观测数据表明,在宇宙微波背景辐射中,其实存在着极其微小的温度差异(大概只有十万分之一),这就被称为宇宙微波背景辐射的各向异性。

从理论上来讲,在早期宇宙中,普通物质会发生强烈的电磁相互作用,而暗物质则不会,不过它们却可以通过引力作用对普通物质的密度和速度造成影响,所以如果暗物质存在的话,那它们就会在宇宙微波背景上留下特殊的“印记”。

通过对宇宙微波背景辐射的各向异性进行观测和分析,科学家可以推测出宇宙在早期时期的密度波动和结构形成的细节,得出的结果表明,理论中的“暗物质留下的印记”确实存在。

科学家根据实际观测数据估算出,在已知宇宙总质能之中,暗物质大约占了26.8%,普通物质占比则只有4.9%左右(其余的是暗能量,当然了,这是另一个话题),也就是说,在已知的宇宙中,暗物质的质量是普通物质的5倍多。

总而言之,虽然暗物质看不见也摸不着,但通过我们在宇宙中观测到的种种迹象,再辅以理论上的推演可知,暗物质应该在宇宙中大量存在,而这也正是科学家相信宇宙中充斥着暗物质的原因。

时至今日,暗物质的存在早已得到广泛的认同,就已知的情况来看,暗物质应该是一种高度稳定的物质,它们可能也与普通物质一样是由一些基本粒子构成,在宇宙四大基本力中,它们几乎不会参与电磁相互作用与强相互作用,可能会参与弱相互作用,却能产生与之质量匹配的引力。



值得一提的是,尽管我们目前并没有直接探测到暗物质的存在,但相关的探测与研究却一直在进行之中,例如我国发射的“悟空”号,其实就是一颗暗物质粒子探测卫星,期待在未来的日子里,它能帮助我们在宇宙中发现暗物质存在的有力证据。

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