宇宙暗物质是什么东西(最具权威的科普知识)

美文 · 2020-07-24

铸就第317位讲者 袁强

  • 紫金山天文台研究者
  • 暗能量颗粒检测通讯卫星「齐天大圣」精英团队组员

暗能量这一定义是怎么来的呢?这要从一个方程组讲起。

我们可以把它称之为宇宙空间的基本定律,它的姓名叫「牛顿场方程组」,它有此外一个姓名叫「广义相对论场方程组」,它还有一个低配版本,便是「哥白尼万有引力定律基本定律」,想来了解的人很有可能会更多一点。

这一方程组叙述的是宇宙空间中的化学物质相互间的吸引力关联,可是在天文学观察中,大家许多情况下发觉这一方程组仿佛有不创立的状况。

暗能量就是以那样的一些异常的状况中发觉的。

人们怎样发觉暗能量很有可能存有?

在牛顿都还没出世的情况下,大家用牛顿定律来了解天体运动。

那时候,大伙儿只了解太阳系行星有七大行星,由内而外先后是水星、天王星、地球上、火花、木星、木星和天王星。他们都会吸引力功效下绕着太阳光运作。

根据哥白尼万有引力定律基本定律,大家能够 精确地测算出每一颗大行星的运作运动轨迹,能够 预估这颗大行星今日应当出現在什么位置,明日应当出現在什么位置。不仅是太阳光对他们的危害,乃至大行星中间的相互影响和运作规律性大家都能非常好地把握,数值与观察結果都能对得上。

唯有最外场的天王星是个列外,它的健身运动自始至终反映出那麼一些不周期性,大家预估它应当在某一部位,实际上它一直会偏一点,令人十分疑惑。

1843年到1846年间,俩位年青的科学家,美国的拉塞尔(John Couch Adams)和荷兰的勒加布里埃尔(Urbain Jean Joseph Le Verrier),她们各自根据万有引力定律基本定律计算出来在天王星以外也有一颗鲜为人知的大行星,更是它危害了天王星的健身运动。

1846年,法国的科学家伽勒(Galle Johann Gottfried)用望眼镜在拉塞尔和勒加布里埃尔预测分析的天区发觉了这颗大行星,也就是之后广为人知的海王星。

这一事儿让我们一个什么启迪呢?就是,假如你发觉现有的基本定律哪些地方不太舒服,那麼这很可能代表着,在一些地区存有一些鲜为人知的物品。

这一状况,不断困惑着学术界。

来到1930年,法国的科学家兹威基(Fritz Zwicky)在观查星系团(由彼此之间有一定结构力学联络的数个星球集聚在一起构成的星球集团公司)的情况下发觉了一个怪异的状况,一些星球的健身运动速率远远地超出了它所属的星系团自身的逃逸速度。

逃逸速度是一个什么定义?大伙儿了解,在我们发送的火箭弹和太空飞船做到第一宇宙速度的情况下,他们就能绕着地球上做匀速圆周健身运动,假如这一速率更快,做到说白了的第二宇宙速度,那麼宇宙飞船或是火箭弹就能摆脱地心引力,飞出地球上,这就是逃逸速度。

往往说兹威基发觉的这一状况十分难以置信,是由于依照原来的认知能力,这一星系团早已应当土崩瓦解了。因此他明确提出了一个胆大的猜想,觉得这一星系团里边很可能存有一些大家还看不见的化学物质,他们出示了附加的吸引力把这种星球制约住,促使他们不容易走掉。

它是暗能量存有的一个强大的直接证据,兹威基如今也是认可的暗能量科学研究先行者。

1972年上下,大家又发觉了此外一个状况,即星球外场化学物质的运动规律与星球转动曲线图有悖。星球转动曲线图,就是指星球中不一样部位的星体绕星球管理中心健身运动的速率遵照「越靠近太阳,速率越快,越杜绝太阳光,速率变慢」的规律性。我们可以依据万有引力定律基本定律计算出来星球在不一样部位的预估速率。

但实际如下图所示,大家见到翠绿色的点越往外速率越快,跟大家的工作经验彻底本末倒置。

这一状况再度偏向了先前的猜想——在星球的黑喑地区,很可能存有着很多化学物质,出示了某类吸引力,加速了其他星体的健身运动速率。目前为止,相近的直接证据数不胜数。有些人很有可能内心会犯嘀咕:是否会是牛顿的方程组出难题了呢?

这类概率是彻底存有的。牛顿的基础理论显而易见不应该是宇宙空间的最终基础理论,将来,大家有可能会跨越牛顿。在大家对这个问题的研究过程中,有两个特别注意的地区:

第一,大家对牛顿的广义相对论早已干了很充足的检测,在大家有意义的事的范畴以内,牛顿的基础理论是精准创立的;

第二,有一些专家学者也在尝试改动牛顿的基础理论,但实际上很艰难,她们所做的改动通常只可以处理一些难题,放进此外的难题上就又说堵塞了,必须做此外的改动,换句话说,迄今没有提升。

这两个方面告知大家:假如宇宙空间中的确存有暗能量,就算如今看上去不很好了解,那麼大家这一宇宙空间反倒是更非常容易了解的。

乃至,暗能量最好存有的。它的存有对大家而言很重要,因为它能够 加快星球的产生。假如宇宙空间中沒有暗能量,就沒有太阳系,沒有太阳系行星,也就沒有大家人们本身。所以说,某种意义上大家也得谢谢暗能量,给了大家存有的机遇。

暗能量是如何的一种存有?

即然大家坚信暗能量的存有,换句话说期待它存有,那麼它到底是哪些的物品呢?现阶段,大家对暗能量的基础理论界定是:根据天文学观察推论出去的很有可能存有于宇宙空间中的一种不由此可见化学物质。这就是把它称为「暗能量」的缘故。

这一动漫展现电子计算机仿真模拟出去的暗能量在宇宙空间中的遍布情况,大家的太阳系大约就等同于界面中的一个小一点,不难看出宇宙空间有多么的宏伟多么的壮阔!

那麼暗能量在这其中的占有率多少钱呢?从动能的角度观察,占了68%;从化学物质的角度观察,占了27%;而大家所了解的这些一般化学物质,仅有5%。归纳地而言,暗能量在宇宙空间中处在一种稀少、不分布均匀的情况,在亚星球限度上面有一些块状构造。

理论上说,地球上周边包含大家周边也应当有暗能量。依据科学家的精确测量,一个立方分米,便是大家一个手指这么大的室内空间里边,暗能量的品质大约等同于0.3个氢原子,如果我们把全部地球上的暗能量搜集起來,一共不上一公斤,因此暗能量对我们的日常生活基本上沒有一切危害。

一般化学物质是由各式各样的颗粒组成的,假如暗能量存有得话,那它可能是哪些的颗粒呢?

这一表有粒子物理的标准模型,已知的宇宙全是由这种颗粒组成的,可是在我们拿它去跟大家了解到的暗能量特性 做核对的情况下,却发觉沒有一种己知的颗粒能够 考虑这种特性。这表明了暗能量很可能是一种超过标准模型的新颗粒,更从总体上,是一种弱相互作用的大品质颗粒。现阶段大家对暗能量的了解,也就到这一步。

怎样找寻暗能量?

即然大家对暗能量拥有那么一个架构性的或是叫专一性的认知能力,下一个难题当然便是:大家能否检测到那样的颗粒,及其怎样检测?

现阶段的方法有那么几类:第一种较为简单直接,根据高能粒子互撞,立即把暗能量造出,可是坐落于欧州核子管理中心的世界最大型粒子对撞机,迄今还未发觉暗能量的存有。

第二种方法能够 叫「入地」。大家身旁的这种暗能量颗粒,它有可能和大家有一种很很弱的相互影响,必须十分高精密的仪器设备才可以检测到,因为空气中有很多的宇宙射线颗粒,他们会对试验产生较强的影响,因此大家务必把试验放到很深的地底试验室去做。

我国在四川锦屏山下建了深地试验室,现阶段已经进行2个暗能量检测试验,相片上是上海交大PandaX暗能量检测精英团队,尽管迄今也还没有发觉暗能量颗粒的数据信号,但她们对暗能量颗粒特性得出了一个较强的管束,早已是现阶段全世界敏感度最大的试验結果。

第三种方法便是「老天爷」,由于暗能量湮没以后会造成一些标准模型颗粒,也就是一般颗粒,而大气圈把这种颗粒的绝大多数都挡在了外边,根据卫星发射探测仪,我们在空气以外观查这种宇宙空间较高能放射线颗粒,能够 间接的找寻暗能量。

大家有一颗称为「齐天大圣」的暗能量颗粒检测通讯卫星,它是全球观察能段最宽、屏幕分辨率最大、环境容量最少的暗能量探测仪。

「齐天大圣」这一姓名是由一位叫林磊的网民取的,他是一位摄友。这一姓名获得十分逼真,从字面意思看,是「理解虚空」,恰好跟检测暗能量的这一事儿切合;次之,悟空有一双能认清宇宙空间润街的慧眼,大家的探测仪也应当具有那样的工作能力。

那麼齐天大圣看到了什么?

大家去年年底发布了第一个成效,在国际性上造成了非常大的反应。横坐标是宇宙射线里一种叫电子器件的动能,纵坐标体现的是不一样动能的颗粒数。

这一图仅仅体现大家见到的状况,也有许多匪夷所思的物品,比如说图上面有一个点仿佛忽然就跳上了,这儿是否存有暗能量呢,还必须进一步的科学研究。

《自然》和《科学》的社论称,齐天大圣打开了我国空间的新世界。

假如找不着暗能量?

假如找不着暗能量怎么办呢?这是我常常被问起的一个难题。

我觉得寻找暗能量自然非常好,那将是一个十分大的进度。但即使沒有寻找暗能量,也并不意味着大家的勤奋是没有意义的。它代表着大家必须去提升牛顿的基础理论,大家对宇宙空间基本定律的认知能力,还必须一个飞越。

在热学动能守恒定律被明确提出来之前,曾有很多人想生产制造出「永动机」,虽然最终都以不成功而结束,但这种不成功的试着非常大水平上促进了大家最后发觉动能守恒定律。

自然,我本人不期待暗能量的检测是那样的一种结果。

人们为何要探索世界?因为你,是我为何要去探寻暗能量?即便明知道它对大家日常生活的危害寥寥无几。

回首过去大家便会发觉,基础学科的每一次提升,都是产生技术性上的重特大飞越,对大家的思维模式和生活习惯造成重特大危害。

暗能量到底可以让我们产生哪些?

谁又了解呢?

编写:漫倩

审校:其奇

铸就:剧场式的线下推广演说服务平台,发觉最想象力丰富的观念

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