暗物质的研究(2)

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1.暗物质的研究

进入21世纪，美国国家科学技术委员会（NSTC）“宇宙物理学”的跨部委工作小组，2004年5月初发表了“宇宙物理学”报告。该报告是对美国“国家研究理事会”2002年的报告——“建立夸克同宇宙的联系：新世纪的11个科学问题”做出的响应。在此报告中，第一个问题就是“什么是暗物质”，由此可以看出暗物质的研究和观测是具有十分重大的科学的。

1.1什么是暗物质

那“暗物质”到底是什么哪？通过科学家对暗物质长期的研究，我们了解到暗物质是一种比光子和电子还要小，不带任何电荷的物质。暗物质不会与电子发生干扰，也不会与电磁波发生相互作用，同时它也不会发射任何波段的电磁波，能够穿透电磁场，因此暗物质才能在任何波段的电磁波中都可以不被“看”到。上述的解释让人匪夷所思：既然暗物质没有被“看”到，那科学家们是怎么知道宇宙中存在着暗物质。换句话说，也就是我们能持有什么证据来证明宇宙中时存在暗物质的。

1.2暗物质的发展

首先来介绍一下暗物质的发展史。20世纪30年代初，美国加州工学院的瑞士天文学家F .Zwicky（费里兹.扎维基）在观测和研究螺旋星系旋转的速度时，他发现星系的外侧的旋转速度要比预期来得快。根据这一现象，F .Zwicky 猜测，必定有大量的质能拉住星系外侧，这样才能使星系不致于有过大的离心力而脱离星系。同时，F .Zwicky也惊奇地发现，在大型地星系团中，星系具有极高但又让人难以理解的运动速度，除非星系团中含有“看不见”的暗物质，否则这些星系团是根本没有办法来束缚住这些星系的。但是，当时F .Zwicky提出的暗物质的概念并没有被大多数科学家们接受。直到20世纪70年代，天文学家对旋涡星云进行了非常仔细地观测，这才使“暗物质”这一概念最终得到了广大科学家们的普遍认可。科学家们在研究和观测旋涡星云中星体的速度和位置间的关系时，发现银河旋转曲线（星系中恒星绕星系的中心的旋转速度随着恒星到星系的中心距离的变化而变化）中发现异常，与开普勒理论不符。观测发现，在星系发光区域以外，物体的转动速度与距离无关。也就是说，不同距离上的物体具有相同的转动速度。根据开普勒定理，行星绕太阳运动速度和轨道半径之间的距离应满足V∝√1/r 。即是说，距离太阳较远的行星的速度比较小。这个关系适用于绕大团快中心星系旋转的星体。对于这一观测异常，科学家们大胆地猜想,做出可行的解释：所谓的星系空间并非是什么真空，是由一种微子量级的引力物质弥散的空间。随后, 天文学家依据对球状星系旋转速度的测观, 引力透镜的观测,宇宙大尺度结构形成以及微波背景辐射、天文观测和膨胀宇宙论等研究中的“奇特” 现象,宇宙中可能存在大量的“看不见”的暗物质, 而且所占的比例很大。当前，人们普通认为, 我们所能观察到的物质仅仅只占整个宇宙的4 %,暗物质所占宇宙的比例是23 %, 此外还有大约73 %的暗能量。

1.3暗物质存在的证据

暗物质既然是存在的，但是暗物质却不能被“看”到，那我们有什么证据可以证明暗物质的存在哪？在2006年的年初，剑桥大学天文研究所的科学家们第一次（在历史上）成功地确定了广泛分布在宇宙空间中的暗物质的部分物理性质。随后，同样在2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对子弹星系团1E 0657-56进行观测，这是对暗物质的天文研究在近几年来取得的十分重要的结果。天文学家们无意间观测到两个星系碰撞、融合的过程：这两个星系团相向高度运动，碰撞到一起时相对速度达到每小时2000万公里。星系团碰撞威力之猛，使得黑暗物质与正常物质分开。通过弱引力透镜观测，天文学家们发现子弹星系中的重子物质或者是普通发光物质和两个猛烈碰撞的星系的质量中心并不是重合的；并且发现最大的质量并不在可见团中，而是分布在周围更广大的区域中。因此，这一现象被普遍认为是暗物质存在的直接证据。这种被观测到的现象引起了科学界的极大关注，亚利桑那大学天文学家道格拉斯. 克罗解释说明：以可见光波段观测星系团发生碰撞的区域时，可以发现明显的“引力透镜”现象。根据这个现象，天文学家认为这两个星系团周围存在大量的暗物质。在2009年，科学家在明尼苏达州的一座煤矿中发现了可证明暗物质存在的明确迹象，这个是至今为止最有利的发现暗物质存在的证据。然而，到目前为止，暗物质还是处于天文宇宙观察中而推测出来的一个假想，没有被真正的实验直言观察到。不过，虽然宇宙中的暗物质从来没有被我们直接“看”到，但是通过各种在宇宙空间大尺度的天文观测中，我们可以发现宇宙中时真真实实地存在着暗物质。当前，暗物质的存在已经被人们普遍接受，并且成为了研究大尺度宇宙结构形成过程中不可或缺的成分。