• 暗物质和暗能量是什么?


    暗物质和暗能量到底有什么区别?

    暗物质

    暗物质在宇宙学中又称为暗质,是指无法通过电磁波的观测进行研究,也就是不与电磁力产生作用的物质。人们只能通过重力产生的效应得知,而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性,对结构形成也非常地关键。

     

    暗物质比电子和光子还要小,不带电荷,不与电子发生干扰,能够穿越电磁波引力场,是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小,但是数量庞大,因此它的总质量很大,它们代表了宇宙中26%的物质含量,其中人类可见的只占宇宙总物质量的5%不到(约4.9%)。暗物质无法直接观测得到,但它能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。

     

    暗物质存在的最早证据来源于对矮椭球星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜宇宙中大尺度结构形成、天文观测和膨胀宇宙论研究表明:宇宙的密度可能由约68.3%暗能量4.9%的重子物质,26.8%暗物质组成。

     

    暗物质的历史研究

    最早提出“暗物质”可能存在的是天文学家卡普坦(Jacobus Kapteyn),他于1922年提出可以通过星体系统的运动间接推断出星体周围可能存在的不可见物质  1932年,天文学家奥尔特(Jan Oort)对太阳系附近星体运动进行了暗物质研究。然而未能得出暗物质存在的确凿结论。   1933年,天体物理学家兹威基(Fritz Zwicky)利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度。   利用位力定理,他发现星系团中星系的速度弥散度太高,仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的,因此星系团中应该存在大量的暗物质,其质量为可见星系的至少百倍以上。史密斯(S. Smith)在1936年对室女座星系团的观测也支持这一结论。 不过这一概念突破性的结论在当时未能引起学术界的重视1939年,天文学家巴布科克(Horace W. Babcock)通过研究仙女座大星云的光谱研究, 显示星系外围的区域中星体的旋转运动速度远比通过开普勒定律预期的要大,对应于较大的质光比。这暗示着该星系中可能存在大量的暗物质1940年奥尔特对星系NGC3115外围区域星体运动速度的研究,指出其总质光比可达约250   1959年凯恩(F. D. Kahn)和沃特(L. Woltjer)研究了彼此吸引的仙女座大星云和银河系之间的相对运动  ,通过相互它们靠近的速度和彼此间的距离,推论出我们人类所处的本星系团中的暗物质比可见物质的质量约大十倍。暗物质存在的一个重要证据来自1970年鲁宾(Vera Rubin)和福特(Kent Ford)对仙女座大星云中星体旋转速度的研究   。利用高精度的光谱测量技术,他们可以探测到远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系。按照牛顿万有引力定律,如果星系的质量主要集中在星系核区的可见星体上,星系外围的星体的速度将随着距离而减小。但观测结果表明在相当大的范围内星系外围的星体的速度是恒定的。这意味着星系中可能有大量的不可见物质并不仅仅分布在星系核心区,且其质量远大于发光星体的质量总和1973年罗伯兹(M. S. Roberts)和罗兹(A. H. Rots)运用21厘米特征谱线观测技术探测仙女座大星云外围气体的速度分布,也从另一角度证实了这一结论   1980年代,出现了一大批支持暗物质存在的新观测数据,包括观测背景星系团时的引力透镜效应,星系和星团中炽热气体的温度分布,以及宇宙微波背景辐射的各向异性等。暗物质存在这一理论已逐渐被天文学和宇宙学界广泛认可。根据已有的观测数据综合分析,暗物质的主要成分不应该是已知的任何微观基本粒子。当今的粒子物理学正在通过各种手段努力探索暗物质粒子属性。

    已知属性

    暗物质的存在已经得到了广泛的认同,然而对暗物质属性了解很少。已知的暗物质属性仅仅包括有限的几个方面:

    1)暗物质参与引力相互作用,所以应该是有质量的,但单个暗物质粒子的质量大小还不能确定。

    2)暗物质应是高度稳定的,由于在宇宙结构形成的不同阶段都存在暗物质的证据,暗物质应该在宇宙年龄(百亿年)时间尺度上是稳定的。

    3)暗物质基本不参与电磁相互作用,暗物质与光子的相互作用必须非常弱,以至于暗物质基本不发光;暗物质也基本不参与强相互作用,否则原初核合成的过程将会受到扰动,轻元素丰度将发生改变,将导致与当前的观测结果不一致。

    4)通过计算机模拟宇宙大尺度结构形成得知,暗物质的运动速度应该是远低于光速,即冷暗物质,否则我们的宇宙无法在引力作用下形成观测到的大尺度结构。

     

    综合这些基本属性。可以得出结论暗物质粒子不属于我们已知的任何一种基本粒子。这对当前极为成功的粒子物理标准模型构成挑战。

     

     

    根据目前最新的观测数据(主要来自欧空局普朗克卫星2015年发布的数据)计算表明,宇宙中的可见物质,也就是我们所有能观测到的物质,只占整个宇宙总质能的4.9%,暗物质占到了26.8%。那么,宇宙的另外68.3%又是什么呢?它就是当今天文学界另外一个不解之谜——暗能量。

     

    暗能量

    我们需要回到1917年。这一年,爱因斯坦最近却陷入了严重的焦虑,因为他在深入研究了广义相对论的方程式后发现,如果要让宇宙满足自己的这个方程式,就不可能是一个稳恒态的宇宙,只能是要么收缩要么膨胀,不可能固定大小。爱因斯坦被自己亲手得出的这个计算结果震惊了,晚上连觉都睡不着。

      爱因斯坦怎么也无法接受这种结论,宇宙的博大和深邃的宁静深深地震撼着他的内心。于是,爱因斯坦拿起笔,在方程式中人为地增加了一个“常数”。有了这个人为添加进去的常数,宇宙就是一个稳态的宇宙了,既不会膨胀也不会收缩。爱因斯坦长舒了一口气,合上本子,终于可以美美地睡一觉,做一个好梦了。

      但是,这毕竟是他自己人为添加进去的常数,爱因斯坦还是感到不踏实。于是,他给当时的一个著名物理学家德西特写了一封信,这封信的大意是说:广义相对论的方程式从数学上来说,是允许我添加一个宇宙学常数的,从而抵消宇宙的膨胀。但如果有一天,当人类拥有了足够的技术后,就可以对星体进行精确的测量,从而确定宇宙学常数到底是不是零。在信的结尾,爱因斯坦还说了这么一句:信念是一种很好的动机,但不是一种好的判断方法。

      10多年后,哈勃的发现粉碎了爱因斯坦的信念。我们的宇宙正在膨胀,爱因斯坦那个用于抵消宇宙膨胀的常数看来是多余的。这并不奇怪,一个科学上的重大观念可不管你是不是什么盟主或权威,科学理论和发现要的是能够重复验证,你说你通过观测发现了什么,那么好呀,把这方法拿出来让全世界的科学家们都来验证就是了。经得起验证的结论自然就能被科学共同体所接受,反之,再大的权威也不顶事。而宇宙膨胀这个结论经受住了全世界的检验,哈勃定律经受住了考验,我们的宇宙确实在膨胀。

      那么接下去很自然地就生出一个问题,我们的宇宙会不会一直这么膨胀下去呢?当时的天文学家一致认为,宇宙应当是减速膨胀的,因为万有引力的存在,所有天体都是互相吸引的,当然会把膨胀的速度一点点地拖慢嘛。但是,减速度不代表膨胀一定会停止,经过计算会发现:宇宙膨胀的减速度如果足够大,过了一个临界点,那么宇宙就会逐渐停止膨胀,然后掉头开始收缩,开始进入大塌缩纪元,相当于是大爆炸的反过程。但是,如果宇宙膨胀的减速度很微弱,达不到那个临界值,那么我们的宇宙就会像人类发射的空间探测器能脱离地球的引力束缚那般,一直膨胀下去,永远停不下来。因此,当时的天文学家全都同意,宇宙的命运取决于膨胀的减速度到底是多少。不过,这需要非常非常精确的测量才能解答这个问题,技术难度极高。

      上世纪90年代,有两个各自独立的团队几乎同时向这个宇宙终极命运问题发起了冲击,其中一个团队由美国劳伦斯伯克利国家实验室的珀尔马特领衔,成员来自7个国家,总共31人,阵容强大;另一个团队则由哈佛大学的施密特领衔,也是一个由20多位来自世界各地的天文学家组成的豪华团队。这两个团队开始了暗中较劲,他们的目标一致,所采用的测量方法也几乎完全一样。

    接下去的一个问题就是,如何才能测量出宇宙膨胀的减速度呢?原理非常简单,就是先测量出不同时期宇宙的膨胀速度,然后比较一下差异,稍加计算,就能算出减速率了。我们只要能测出遥远星系的距离,就相当于知道了宇宙气球上这个坐标点在时间轴上的坐标,如果再测量出这个坐标点的膨胀速率,就能画出一根宇宙随时间变化的膨胀速率曲线。看来,关键性的第一步是要找到测量遥远星系距离的方法。这个问题怎么破?我之前曾经讲过两种天文测距的方法,一种是三角视差法,一种是造父变星法。但是视差法最多只能测出几百光年的距离,而造父变星法虽比视差法的测距范围提高了一万倍,也无非提高到了百万光年的数量级,要测量动辄几十亿光年外的遥远星系的距离,这两种方法全都不管用了。好在,天文学家又发现了第三种方法,这就是超新星测量法。

     

    以上摘抄  《星空的琴弦》-汪诘著  的一段,下面来看暗能量

     

    暗能量是驱动宇宙运动的一种能量。它和暗物质都不会吸收、反射或者辐射光,所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。DarkEnergy

     

    暗能量可能吞噬暗物质!

    人类对宇宙的研究表明:27%的宇宙是由暗物质组成的,暗物质就像胶水一样把所有物质连接在一起。新的一项研究发现,一部分暗物质正在消失,而导致他们消失的原因则是暗能量。 暗能量很有可能在消耗着暗物质,如果这一推论正确那这种现象将对宇宙的未来产生重大的影响。相关结果已经发表在了物理学评论快报上。

    猜想

    宇宙学中,暗能量 [2]  是某些人的猜想,指一种充溢空间的、具有负压强的能量。按照相对论,这种负压强在长距离类似于一种反引力。这个猜想是解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。天文学家埃德温·哈勃发现宇宙中的其它星系似乎都在向着距离人们生活的银河系越来越远的方向移动。而且它们移动的越远,运行的速度就越快。但是,天体物理学家此前曾经指出,引力会使得宇宙的膨胀速度逐渐减缓。之后在1998年,两个研究小组通过观察发现,Ia型超新星种罕见的恒星爆炸能够释放出数量巨大的,持久的光——颠覆了天体物理学家提出的理论。

    通过仔细测量来自这些活动的光的红移现象(光波向着可见光谱中红色的一端变化)——类似于当火车汽笛声离你越来越远时,声调也会越来越低的多普勒效应真空(有科学家认为真空不空)空间本身似乎也在作为一种能够将物质分离开来的力量起作用。

    物理宇宙学中,暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式。暗能量假说是当今对宇宙加速膨胀的观测结果的解释中最为流行的一种。在宇宙标准模型中,暗能量占据宇宙约68.3%的质能。

     

    好吧,确实很难,我自己的水平也就到这里了

     

     

    参考文档:

    https://baike.baidu.com/item/暗物质/19868187

    https://baike.baidu.com/item/暗能量

    https://new.qq.com/omn/20181116/20181116A1XG44.html

    https://baike.baidu.com/item/%E5%AE%87%E5%AE%99%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B4%A8/2416186

    https://baike.baidu.com/item/%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B4%A8/8666#viewPageContent

    参考论文:

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