【暗物质是谁提出来的】原创 |“暗物质”的概念是如何提出的?

2019-11-25 - 暗物质

在估计了行星等一些看不见的质量之后,假如遥远星空的质量大致是“所见即所得”,那这两个质量应该差不多。然而,计算出来的结果是力学质量比光度质量高了400倍左右。换言之,力学质量里的绝大部分是我们看不到(不发光)的物质。如果没有这部分“看不见的物质”的作用,那么这个星系团的引力就不足以将其中的星系像现在这样束缚在一起。

暗物质是谁提出来的

1936年,天文学家辛克莱尔·史密斯(Sinclair Smith)讨论了他在“处女座星系团”中注意到的相同情形,提出存在“星系团内部大质量的星云间物质”。

而且,即使把气体、尘埃、等离子体、类恒星天体和行星计算进来,也只增加了15%的质量,远远不够填补“空缺”。

暗物质是谁提出来的

相比用光度推测的质量计算的结果,“后发座星系团”中星系跑得太快了

20世纪60-70年代,女天文学家薇拉•鲁宾(Vera Rubin)对“仙女座大星系(M31)”的星系旋转曲线进行了测量,简单来说就是测量距离星系中心不同半径处物质的旋转速度,得到如下的图。图中横坐标是距离星系中心的距离,纵坐标为旋转速度,红色是理论计算的曲线,白色是实际观测的曲线。

暗物质是谁提出来的

先说理论计算。假设星系中心的巨大质量的物质都像太阳一样发光(像地球之类的反射光的行星质量相对小很多,但也可以进行估计),通过测量光的分布,猜测一些星系的年龄和恒星形成率,可以推算出来光度-质量比,也就是根据光度推测大概的质量分布。按照万有引力定律,理论上物质离中心越远转的越慢,根据光度推算的质量分布来计算,物质的旋转速度随距离的变化应该那条是红色曲线。

然而,实际观测出来的是图中的白色曲线:离星系中心不同距离处的气体,围绕中心旋转的速度都差不多,星系外围的绕转速度明显比计算得到的要快很多。她又观测了其他星系,1978年的论文中他们观测的其他8个星系的旋转曲线全部都是平直的。而随后其他射电天文学家们对25个其他星系的观测中,有22个星系的旋转曲线都是平直的。科学家们有理由认为,宇宙中存在着我们看不到的物质,为弥散于星系各处的气体提供着引力。

星系外围的绕转速度明显比计算得到的要快很多

同样在20世纪60年代,普林斯顿的物理学家Jim Peebles和Jeremiah Ostriker对银河系建模,计算发现旋转的银河系很不稳定,很快就会分裂或者变成块状。只有看到不到的质量和可见的质量大体相当时,银河系才能保持稳定。1973年他们发表了一篇文章,称银河系以及其他旋涡星系的星系晕质量可能极其巨大。他们推测普通星系的质量甚至可能一直被低估了10个数量级以上。

在这之后,科学家们在多个方面发现越来越多的证据,证明有大量的“观测之外”的物质质量,甚至比我们“看得到”的还要大。20世纪80年代,科学家正式提出了“暗物质”这个名称。

而我们越来越多的探测暗物质,则是透过所谓“引力透镜”,也即是因为有巨大质量物质的存在,使得光线发生弯曲(广义相对论),那么通过研究我们看到的被引力透镜弯曲了的背景星系,就可以判定造成光线弯曲的前景星系的质量分布。如下图中的那些弧形,就是引力透镜效应的结果。经过计算,前景星系的质量远大于用光度推算的质量。这种方式也证实了暗物质之间的相互作用比正常物质要弱的多。

引力透镜

简单总结来说,因为在一些地方,我们算出来需要的质量,比能看到的质量多得多,需要一些“说不清、道不明”的物质,科学家们所以提出了“暗物质”的概念。虽然不知道这些暗物质是什么,但它就是存在。

其实有看不见的物质,本来就在意料之内,就像在遥远的太空我们也看不见我们的地球和水星、火星等其他星球一样。但是暗物质是不一样的——实际计算和观测发现,“看不见”的质量远远比想象的大得太多,很难用一般的理论推测去解释,故而才会被重视并提出为“暗物质”。根据天文学的各种推算,组成星系团的质量中,星系只占了百分之几,星系际介质约占20%,暗物质的比例则高达70%~80%。

暗物质的基本性质可以概括为:参与引力相互作用、但不参与电磁相互作用。暗物质的所谓“看不见”,不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见,而是说不论探测什么波段的电磁波,比如红外线、紫外线、X射线、伽马射线等,都看不到它。

现在科学家们认为暗物质确实是某种粒子,理论上有几个候选粒子,实验上也在寻找,都需要更多的证据来证实。我国发射的暗物质卫星“悟空”,就是从天文观测上寻找,通过测量宇宙射线中正负电子之比,试图找出可能的暗物质信号。

作者:王铮

中国科学院国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室

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大家都知道,因为万有引力的存在,星系团内所有星系都绕着其中心旋转。每个星系的运动速度必须与束缚它的引力达成平衡才不至出轨;而且引力越强,其运动速度越快。实际观测却发现,星系的转速比根据牛顿和爱因斯坦的引力理论计算的结果大很多。说明宇宙中还存在着一类看不见的物质,在为星系提供引力。科学家称之为“暗物质”。

暗物质是怎么形成的【暗物质是怎么形成的】宇宙中的暗物质是如何形成的?

在宇宙学中,暗物质是指那些自身不发射电磁辐射,也不与电磁波相互作用的物质。说到这里,必须提起与暗物质相提并论的“暗能量”。关于暗能量,人类的我们也了解得不多。我们只知道它引起宇宙加速膨胀,引起万有斥力,并且占宇宙能量组分的70左右,但到底是69还是71,我们也不确定,对暗能量的了解我们仅仅能达到这个地步。

反物质和暗物质反物质和暗物质的区别是什么?

物质存在电磁力,同一种物质介质相互吸引,不是同一种物质介质相互推。多的物质会把少的物质推成圆球,因为两种物质都在推,而且同一种物质任何一点推力都一样大。推力又称为反推力反推力是很均匀的力。被推成球型的物质任何一点向外发出推力都一样大,但两种物质的反推力不一定是一样大。又因两种物质都在使劲推少的物质被迫成圆球。

研究暗物质有什么作用【研究暗物质有什么作用】什么是暗物质?暗物质的研究有什么意义?

暗物质的存在以目前的研究来说,在通俗的意义上就是可能存在但是我们无法感知和判断的事情,简单来说,就像是我们的神话故事中的一些鬼怪神兽一样,拥有者很特殊的本领,可以穿梭时空,但是我们人类却是无法去真实地感知的。这也有点像美国科幻大片中的一些异能人一样,具体的什么是暗物质,下面我们简单探究下。只能是说目前没有蛛丝马迹表现出存在暗物质生命。

暗物质是什么东西暗物质是什么东西(暗物质是什么组成的)

对于人类来说,宇宙一直是比较奇特的存在,科学家告诉我们,宇宙最初的存在形态就是奇点,后来奇点发生了大爆炸才产生了,如今我们所看到的宏观宇宙世界,也因此出现了很多颗星球,才共同组成了这个神秘又千奇百态的各个星系,甚至还包括了生命,比如说我们地球上的人类以及万物!那么实际上宇宙当中,很可能还存在着很多跟我们人类一样的外星生命。

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