暗物质到底是什么？

发布一下 2022年09月14日 13:45 0 0

引言

按照经典的引力理论来说，越接近星系中心的天体围绕该星系中心的公转速度越快，因为公转速度快可以避免沦陷于中心质点的强引力源。距离星系中心越远的天体公转速度越慢，因为距离星系中心远所受到的引力作用弱，如果公转速度太快，又会被离心力给甩出去，所以正常情况下天体围绕星系中心的公转速度与两者之间的距离成反比。以达到整个星系的平衡，众所周知我们的太阳系处于银河系的外围，但是放眼更大的星际尺度，我们会发现太阳系围绕银河系中心的公转速度与经典的引力理论计算不符，比如我们的太阳系距离银河系中心大约2.6万光年，根据经典引力理论计算，太阳系的公转速度应该是160千米/秒，事实上观测的结果却是240千米/秒。所以物理学家就假设银河系的外围存在大量的看不见的未知物质，且这种看不见的未知物质的质量占比大于可见的常规物质，正是它们提供的额外引力才能维持星系外围天体在快速公转中不至于分离出整个星系。后来的物理学家就把这种看不见的未知物质命名为暗物质，现在越来越多的天文观测数据支持暗物质的存在，可是暗物质到底是什么呢？

大量弥散的暗物质晕包裹着整个银河系

暗物质的物理性质

暗物质首先不发光，它也不衍射或者反射任何光线，所以暗物质不参与电磁力作用，不参与电磁力作用哪它肯定不携带电荷，它是电中性，所以暗物质看不见摸不着。假设有一个由暗物质构成的人与你迎面相撞，哪么你俩彼此都感觉不到对方的存在，它既隐形又透明。

暗物质肯定也不会参与强核力作用，因为假设它参与强核力作用，哪么在宇宙早期的核合成阶段，它会在强核力作用下形成强子，进而进一步形成宏观天体。但是根据天文观测显示，越往常规物质密集的星系中心，暗物质密度越低，越往常规物质密度低的星系边缘地带，暗物质分布越多。它是一种弥散的暗物质晕在星系外围包裹着整个星系。

暗物质参与弱核力作用的可能性也不大，因为参与弱核力作用的粒子，在衰变过程中肯定会产生放射性射线，这样人类的探测仪器就可以探测到它的衰变效应，天文望远镜也更容易观测到它。往更大格局考虑，弱核力早就与电磁力统一成电弱力，在大型强子对撞机的高能粒子对撞实验中的电弱统一能标下并没有发现暗物质。但是为什么我说暗物质参与弱核力的可能性也不大，没有说百分之百不参与弱核力作用？因为物理学家假设的暗物质候选粒子中有一种大质量的弱核力粒子叫WIMP，如果暗物质真的是WIMP粒子，哪么它肯定参与弱核力作用，不过这种假想的WIMP粒子存在的可能性几乎为零，所以我说暗物质参与弱核力作用的可能性非常低。

在自然界的四大基本作用力中！暗物质唯一参与引力作用，因为它有质量，天文观测就是根据暗物质在星系外围的引力透镜效应来确定它的存在。从星系自转曲线得到的数据显示，星系的质量有90%是看不见的暗物质。这一数据主要来源于它对于星系外围天体的引力作用。

暗物质晕

暗物质类型

热暗物质

热暗物质由一种神秘的中微子构成，这种中微子区别于标准模型中的六种中微子，它质量大于标准模型中的六种中微子，运动速度快，温度高，所以物理学家叫它热暗物质。不过这种热暗物质粒子不稳定，很难在宇宙早期的核合成阶段长久保存下来，所以现在这种热暗物质大部分时候都与混合型暗物质一起讨论，正常情况下基本上否定了这种暗物质存在的可能性。

温暗物质

温暗物质也是由一种未知的中微子类型构成，这种中微子叫惰性中微子，惰性中微子质量非常非常小。运动速度不是太快，所以温度不高，非常温和，它比热暗物质粒子稳定多了，温暗物质存在的概率也比热暗物质大很多。

冷暗物质

冷暗物质由上面提到的弱核力大质量粒子WIMP构成，WIMP粒子质量大，运动速度非常缓慢，温度低，相当稳定。在宇宙早期的核合成阶段，WIMP粒子最容易保存下来。虽然人类目前还没有找到它，它存在的可能性也不大，但是从它的稳定性来说，它是暗物质的可能性高于两种神秘的中微子。

轴子

轴子是很多大一统模型中的一种预测粒子，它也不携带电荷，它也不参与电磁力作用。由于它的电中性特质，早期物理学家认为暗物质就是由这种轴子构成，不过后来的一系列实验结果否定了轴子是暗物质的可能性。

如何探测暗物质

直接探测

这种方法直接探测来自宇宙空间的暗物质粒子和普通物质碰撞所产生的信号。由于发生这种碰撞的概率很小，产生的信号很微弱，通常需要把实验室建造在很深的地底，以屏蔽来之外太空的宇宙射线干扰。

间接探测

这种方法探测暗物质粒子湮灭或衰变产生的普通粒子。为了减少地球大气层的干扰，实验通常在太空进行，如中国“悟空”号暗物质粒子探测卫星。间接探测暗物质实验也有近三十年的历史。

高能粒子加速器探测

这种实验希望通过普通粒子的对撞来产生暗物质粒子。欧洲的大型强子对撞机是目前最高能量的粒子对撞机，也是探测暗物质粒子最佳的对撞设备。中国也有北京正负电子对撞机也可以参与暗物质探测实验

探测暗物质的方式

全球规模最大的暗物质实验室

美国

这个暗物质实验室位于美国南达科他洲，它是根据废弃的矿井改造的地下实验室，这是一个暗物质综合实验室，它探测暗物质方法就是利用7吨活性液体氙与暗物质之间的相互作用，来寻找暗物质。选择氙气的原因之一，是它的液体密度非常高，每升大约三公斤，比铝还要密集。暗物质探测器有很多层，从中心开始有一大桶液态氙气。旁边有多个光电倍增管，以检测可能显示暗物质存在的光信号。科学家希望，当暗物质撞击氙核时，可以产生一点闪光。并将温度保持在零下100摄氏度。除此之外，探测器还需由放射性极其纯净的必需材料构成。为此相关负责人指出，团队分析了1200多种材料，其中选择了最纯的材料来构建LZ，并表征来自自然宇宙辐射的残余噪声。它是目前世界上规模最大的地下暗物质实验室。

多国参与美国综合暗物质探测项目

暗物质在宇宙总质量的占比

中国

中国四川省锦屏山暗物质地下实验室，它位于四川省雅砻江锦屏山地下！这是中国甚至是世界上最深的地下暗物质实验室！建于距离地表2500米深的地底！专门用来探测暗物质！在地面的相关实验室都无法探测到暗物质！因为地面无法屏蔽来之宇宙高能射线的干扰！距离地面极深的地底实验室可以完全屏蔽掉来之宇宙高能射线的干扰！大大增加了实验中探测到暗物质的概率。