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暗物質(dark matter),在宇宙學中又稱為暗質,是指無法通過電磁波的觀測進行研究,也就是不與電磁力產生作用的物質。人們已經發現宇宙中有大量暗物質的存在。暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性,對結構形成也非常地關鍵。暗物質很有可能是一種(或幾種)粒子物理標準模型以外的新粒子所構成。對暗物質和暗能量的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。

1 暗物質 - 簡介

大質量的星系團阿貝爾2218為科學家提供了暗物質存在的證據。通過星系團周圍的弧線——背景星系扭曲的像,天文學家發現其中必定還含有更多看不見的物質。大質量的星系團阿貝爾2218為科學家提供了暗物質存在的證據。通過星系團周圍的弧線——背景星系扭曲的像,天文學家發現其中必定還含有更多看不見的物質。
在宇宙學中,暗物質是指那些不發射任何光及電磁輻射的物質。暗物質存在的最早證據來源於對球狀星系旋轉速度的觀測。

暗物質在宇宙中所佔的份額遠遠超過人類可以看到的物質。宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量,暗物質占宇宙25%,暗能量佔70%,我們通常所觀測到的普通物質只佔宇宙質量的5%。

暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性,對結構形成也非常關鍵。暗物質很有可能是一種(或幾種)粒子物理標準模型以外的新粒子。對暗物質和暗能量的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。

2 暗物質 -發現歷史

星系自轉曲線

最早提出證據並推斷暗物質存在的是20世紀30年代荷蘭科學家Jan Oort與美國加州理工學院的瑞士天文學家弗里茨·茲威基等人。

弗里茨·茲威基觀測螺旋星系旋轉速度時,發現星系外側的旋轉速度較牛頓重力預期的快,故推測必有數量龐大的質能拉住星系外側組成,以使其不致因過大的離心力而脫離星系。

星系與星系團觀測
子彈星系團是兩個星系團碰撞的產物。其中普通物質——高溫氣體(粉色,X射線波段)——會碰撞、損失能量、運動速度變慢。星系團中的暗物質(藍色,引力透鏡觀測)間相互作用很弱,可以彼此穿過。子彈星系團是兩個星系團碰撞的產物。其中普通物質——高溫氣體(粉色,X射線波段)——會碰撞、損失能量、運動速度變慢。星系團中的暗物質(藍色,引力透鏡觀測)間相互作用很弱,可以彼此穿過。

2006年,美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E 0657-558進行觀測,無意間觀測到星系碰撞的過程,星系團碰撞威力之猛,使得暗物質與正常物質分開,因此發現了暗物質存在的直接證據。

雖然暗物質在宇宙中大量存在是一個普遍的看法,但是科學家們發現螺旋星系NGC 4736的旋轉能完全依靠可見物質的引力來解釋,也就是說這個星系沒有暗物質或者暗物質很少。

宇宙微波背景輻射

宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background radiation,簡稱CMB)最初發現於1964年。對於背景輻射的進一步觀測也支持這個理論,並給予了更多架構理論模型的條件。這些觀測中最著名的當屬宇宙背景探測者(COBE)。COBE觀測到2.726 K的輻射溫度,以及在1992年第一次觀測到約十萬分之一的溫度起伏(各向異性)。

在20世紀90年代,第一峰值的量測上不斷提高敏感度。毫米波段氣球觀天計劃提出的報告指出,最大的譜密度波動發生在尺度約為一度角時,這些觀測足以排除宇宙弦作為宇宙結構形成的主因,而趨向於接受暴漲理論。

3 暗物質 -組成成分

早期暗物質的理論重在一些隱藏起來的一般物質星體,例如:黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。這些星體一般歸類為暈族大質量緻密天體 (MAssive Compact Halo Objects,縮寫為:MACHOs),然而多年來的天文觀測無法找到足夠量的MACHOs。
渺中子湮滅產生次級粒子。當兩個渺中子發生碰撞就會產生夸克、輕子和玻色子,它們又會通過低能光子、γ射線和衰變過程產生正電子、電子、中微子、反質子和質子。渺中子湮滅產生次級粒子。當兩個渺中子發生碰撞就會產生夸克、輕子和玻色子,它們又會通過低能光子、γ射線和衰變過程產生正電子、電子、中微子、反質子和質子。

一般認為,難以探測的重子物質(如MACHOs以及一些氣體)確實貢獻了部分的暗物質,但證據指出這類的物質只佔了其中一小部分。而其餘的部分稱作「非重子暗物質」。此外,星系轉速曲線、重力透鏡、宇宙結構形成、重子在星系團中的比例以及星系團丰度(結合獨立得到的重子密度證據)等觀測數據也指出宇宙中85%-90%的質量不參與電磁作用。這類「非重子暗物質」一般猜測是由一種或多種不同於一般物質(電子、質子、中子、中微子等)的基本粒子所構成。

在眾多可能是組成暗物質的成分中,最熱門的要屬一種被稱為大質量弱相互作用粒子(英文叫做Weakly Interacting Massive Particle,簡稱WIMP)的新粒子。這種粒子與普通物質的作用非常微弱,以致於他們雖然存在於我們周圍,卻從來沒有被探測到過。

還有一種被理論物理學家提出來解決強相互作用中CP問題,被稱為軸子的新粒子,也很有可能是暗物質的成分之一。惰性中微子(sterile neutrino)也有可能是組成暗物質的一種成分。

4 暗物質 -理論模型

人們將可能的暗物質分為三個大類:冷暗物質、溫暗物質、熱暗物質。 這個分類並非依照粒子的真實溫度,而是依照其運動的速率。
冷暗物質:在古典速度下運動的物質。
溫暗物質:粒子運動速度足以產生相對論效應。
熱暗物質:粒子速度接近光速。
雖然可以有第四個稱為複合暗物質(mixed dark matter)的分類,但是這個理論在20世紀90年代由於暗能量的發現而被捨棄。

5 暗物質 -探測實驗

暗物質的探測在當代粒子物理及天體物理領域是一個很熱門的研究領域。對於大質量弱相互作用粒子來說,物理學家可能通過放置在地下實驗室,背景雜訊減少到極低的探測器直接探測WIMP,也可以通過地面或太空望遠鏡對這種粒子在星系中心,太陽中心或者地球中心湮滅產生的其他粒子來間接探測。

直接探測實驗
間接探測WIMP。WIMP偶爾會撞上一個原子核。這一碰撞會散射原子核,進而使之和周圍的原子核發生碰撞。由此科學家可以探測到這些相互作用所釋放出的熱量和閃光。間接探測WIMP。WIMP偶爾會撞上一個原子核。這一碰撞會散射原子核,進而使之和周圍的原子核發生碰撞。由此科學家可以探測到這些相互作用所釋放出的熱量和閃光。

對於暗物質的直接探測實驗一般都這設置於地底深處,以排除宇宙射線的背景雜訊。這類的實驗室包括美國的Soudan mine和DUSE、加拿大的SNOLAB地下實驗室、義大利的大薩索國家實驗室(Gran Sasso National Laboratory)以及英國的Boulby mine。

2011年,大部分的實驗使用低溫探測器或惰性液體探測器。低溫探測器是在低於100mK的環境下探射粒子撞擊鍺這類的晶體接收器所產生的熱。惰性液體探測器則是探測液態氙或液態氬中粒子碰撞產生的閃爍。低溫探測實驗包括了CDMS、CRESST、EDEDWEISS及EURECA。惰性液體探測實驗包含了ZEPLIN、XENON、DEAP、ArDM、WARP和LUX。這兩種探測技術都能夠從其他粒子與電子對撞的雜訊中辨識出暗物質與核子的碰撞。其他種類的探測器實驗有SIMPLE和PICASSO。

方向性的暗物質探測方式是運用太陽系繞行銀河系的運動。利用低壓TPC,我們可以得知反彈路徑的資訊,並藉此去了解WIMP與原子核的作用。從太陽行進方向入射的WIMP訊號可以從各向同性的背景雜訊中分離出來。這類的探測實驗包括有DMTPC、DRIFT、Newage和MIMAC。

2009年12月17日,CDMS的研究團隊發表了兩個可能的WIMP事件。他們估計這兩起事件來自已知背景訊號(中子、錯認的β射線或是伽馬射線)的可能性是23%,並作出了這樣的結論:「這個分析結果無法被視作WIMP的有力證據,但我們不能排除這兩起事件來自WIMP的可能性。」
2011年5月,CoGeNT實驗公布先前15個月的探測結果,顯示粒子的碰撞率呈現周期性變化,夏天較高而冬天比較低,這可以看作是暗物質存在的證據之一。這個結果支持已經進行了13年的義大利的DAMA/LIBRA暗物質探測實驗。CoGeNT的實驗結果顯示,探測到的WIMP的質量是中子質量的5到10倍,這與某些其他的實驗結果不符,但是其他實驗對低能暗物質的探測精度沒有CoGeNT高。

間接探測實驗 暗物質的間接探測主要是觀測其兩兩湮滅時所產生的訊號。由於其湮滅所產生的粒子與其暗物質的模型有關,有許多種類的實驗被提出。假使暗物質是馬約拉那粒子,則兩個暗物質對撞會煙滅產生伽馬射線或正負粒子對。如此可能會在星系暈生成大量伽馬射線、反質子和正電子。然而在完全了解其他來源的背景雜訊以前,這類的探測不足以當作暗物質的決定性證據。
EGRET伽馬射線望遠鏡過去觀測到了超出預期量的伽馬射線,但科學家認為這多半是來自系統中的效應。自2008年6月11日開始啟動的費米伽馬射線太空望遠鏡則正在搜尋暗物質湮滅產生伽馬射線的事件。在較高能量區間,地上的MAGIC伽馬射線望遠鏡已經對矮橢球星系以及星系團中的暗物質給予了某些限制。

6 暗物質 -觀測手段

1、引力透鏡法;

2、旋渦星系的旋轉曲線;

3、星系中的恆星或星系團中的星系的速度彌散;

4、星系團(及橢圓星系)的X射線氣體的流體靜力學平衡方法;

5、星系團的蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應。

7 暗物質 -探索成果

美國科學家稱地月之間隱藏存在大量暗物質

2012年2月底,美國科學家稱,他們通過一種最新的理論研究發現,地球和月球之間其實隱藏著大量神秘的暗物質。美國普林斯頓高等研究院理論家斯蒂芬·阿德勒博士估計,地球周邊的暗物質應該位於月球的公轉軌道與低空衛星的軌道之間,其總質量肯定不超過地球質量的十億分之四。這一質量限度使得地球周圍可以存在高密度的暗物質。他認為,這一觀點雖然仍存在爭議,但卻是對此前關於宇宙存在暗物質證據的有力補充。阿德勒解釋,地球周邊暗物質應該集中於地球周圍半徑大約為7萬公里的空間內,其密度遠遠高於此前天文學家們所估算的密度。

地球上每人每年會與暗物質碰撞10萬次

2012年4月,密歇根州立大學的Katherine Freese與瑞典斯德哥爾摩大學的Christopher Savage 計算出了暗物質和人體組織發生相互作用的幾率。Freese和Savage計算了在平均尺寸的人體中,有多少原子核與穿過的暗物質粒子發生了碰撞。這裡的平均尺寸,他們是指一塊主要由氫、氧、碳、氮等元素構成的70公斤的肉塊。他們說暗物質與人體中氫原子核和氧原子核發生碰撞的可能性很大。關於暗物質的一般假設認為,碰撞一般每年發生大約30次,得到的計算結果是,地球上每個人每年要承受100000次的暗物質粒子碰撞。

研究稱暗物質粒子每分鐘撞擊人體或引發突變

2012年5月初,根據幾項暗物質探測項目獲得的數據進行計算的結果顯示,平均大約1分鐘就會有一顆暗物質粒子擊中人體。由於它們和常規物質發生相互作用的概率非常低,這當然也就意味著WIMP的撞擊將不會給人體帶來什麼大的風險。然而當兩顆WIMP粒子相互撞擊時會發生湮滅反應,在這一過程中所釋放出的能量就會大得多。美國密歇根大學下屬密歇根理論物理研究中心教授凱瑟琳·弗萊瑟(Katherine Frees)認為:這兩顆粒子的質量都相當於質子質量的100倍,當兩者相撞時,它們將擁有200倍質子質量的能量釋放。這將是非常劇烈的。如果這種WIMP粒子湮滅反應發生在人體內,它將可能導致對人體有害的突變。當然,發生這種事件的概率非常低。

德國科學家稱首次探測到暗物質

暗物質阿爾法磁譜儀(AMS)
2012年7月7日,英國《新科學家》周刊網站表示:在宇宙中支撐宇宙網的基本架構暗物質首次被清楚地探測到。德國慕尼黑大學天文台的約爾格·迪特里希及其研究團隊已探測到一個超星系團的絲狀物中的暗物質成分。這個超星系團名為「阿伯爾222/223」,距地球約27億光年。

英國研究發現太陽被暗物質包圍

2012年8月13日,來自蘇黎世大學、蘇黎世聯邦理工學院以及英國萊斯特大學的天文學家們進行了一項最新研究,稱他們有99%的把握確定太陽被暗物質包圍。

丁肇中研究小組的新發現 2013年4月4日,諾貝爾物理獎獲得者丁肇中教授在日內瓦歐洲核子中心,首次公布其領導的阿爾法磁譜儀(AMS)項目18年之後的第一個實驗結果——已發現的40萬個正電子可能來自一個共同之源,即脈衝星或人們一直尋找的暗物質。據介紹,用於探測宇宙射線中的粒子的「阿爾法磁譜儀2」在從2011年5月至2012年12月的運轉期間,記錄了250億個宇宙射線事件。科研人員在宇宙射線流中發現了過量的正電子存在。
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