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暗物质与暗能量(中)

2018/07/10   维加斯新闻报
刘文旺

    (二)、暗物质、暗能量充满矛盾的观测现象及分析(下)
    按照现有的假设:对于可能的暗物质粒子全称微相互作用有品质粒子(WIMP),一般认为有两种暗物质粒子:一种是大品质弱相互作用的中性子。这是一种粒子超对称模型中提出的粒子;另一种被称为轴子,是一种非常轻的粒子;对于暗能量有两种模型,一种是从宇宙项出发,假设存在的一种均匀充满空间的场;另一种则是一种随时间与空间不断变化的动力场。至于它们的物质本质仍不明确。
    我们知道,人们一般通过这些粒子与常规粒子的相互作用或自身的衰变、湮灭等过程产生的射线来寻找。暗物质间接探测就是在宇宙线中寻找暗物质湮灭或者衰变产生的信号,表现在宇宙线能谱上,就是各种对传统谱线的超出。因此,实验中需要准确区分宇宙线的种类,并且精确测量宇宙线的能谱。
 
    一个美国地下探测暗物质实验组,名为CoGeNT,声称看到了暗物质踪迹,置信度2.8标准误差,也就是比99.5%稍小一点。但并没有得到人们的普遍认可。
    中国的PandaX-II暗物质探测(位于锦屏山隧道中部)国际合作组,最近在物理学国际顶级学术期刊——《物理学评论快报》发表了500公斤级液氙探测器低本底运行80天的暗物质探测结果。这是目前世界上正式发表的灵敏度最高、曝光量最大的液氙暗物质探测结果。这个结果比美国LUX合作组2015年正式发表的在大品质区原世界最灵敏结果好了近3倍。
    PandaX实验,首次采用了110个新型三英吋的光电倍增管来进行记录。最新结果相当于3.3万公斤的氙原子在一天时间内没有和这些暗物质粒子发生过一次碰撞,或者一公斤的氙原子在3.3万天里没有发生过一次碰撞。

 
    中国锦屏地下实验室Pan-daX(熊猫计画)实验负责人季向东博士7月21日在英国举行的两年一度的国际暗物质大会上正式公布了PandaX二期500公斤级液氙暗物质探测器运行的第一个物理结果。
    此外,为了寻找暗物质2015年12月17日8时12分,中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将暗物质粒子探测卫星DAMPE —“悟空”发射升空。“悟空”是目前世界上观测能段范围最宽、能量解析度最优的暗物质粒子探测卫星,超过国际上所有同类探测器。它可以精确地测量出宇宙中高能粒子的物理属性及其空间分布特征。它含有300多根2cm见方,长60cm的BGO晶体构成,这是世界上最长的BGO晶体。它的能段是“阿尔法磁谱仪”的10倍,能量解析度比国际上同类产品高3倍。
    它将在太空中开展高能电子及高能伽马射线探测任务,探寻暗物质存在的证据,研究暗物质特性与空间分布规律。
据说,DAMPE可以以前所未有的灵敏度和能量范围探测电子,光子和宇宙射线:“悟空”对于电子和光子,探测范围是5GeV-10TeV,在800GeV的能量解析度为1%。对于宇宙射线,探测范围为100GeV-100TeV能区,在800GeV的能量解析度优于40%。对于电子和光子,几何因数是约0.3 mSR,对于宇宙射线大约0.2 mSR。100 GeV的角解析度为0.1°。
一年后的2016年12月29日,暗物质粒子探测卫星“悟空”频繁记录到来自超大品质黑洞CTA 102的伽马射线爆发。
关于暗能量的探测我们得到的资讯就更少了:1997年12月,“大红移超新星搜索小组”的成员的哈佛大学天文学家罗伯特•基尔希纳等根据超新星的变化显示,宇宙膨胀速度非但没有在自身重力下变慢反而在一种看不见的、无人能解释的、神秘力量的控制、推动下变快;日本理化研究所发布新闻公报说,日本理化研究所的稻田直久和美国斯坦福大学的大栗真宗共同领导的研究小组,观测了宇宙空间中约2.3万个类星体,发现受“引力透镜效应”影响的类星体数目非常多,们认为,这也许只有暗能量才能解释。
    新华社洛杉矶2017年5月30日电,由中国天文学家领衔的一个国际研究团队,利用宇宙深处类星体的空间分布,首次成功探测宇宙膨胀历史,绘制出大尺度结构的宇宙3D图像,从而“证实”了暗能量的存在。
宇宙中都包含相同的重子声波振荡信号(重子声波振荡信号是早期宇宙中声波振荡留下的遗迹。),“扩展重子振荡光谱巡天”的天文学家发现了显著的重子声波振荡信号。通过对此观测,天文学家推算了类星体的距离,从而绘制类星体的三维空间分布。在eBOSS运作的两年内,天文学家利用斯隆地基望远镜已精确测量了超过14.7万颗类星体的三维空间位置。
    我认为,这实际上只是对现象的重复观测,即没有找到暗能量的组成物质,也没有给出暗能量、暗物质的物质基础和作用机制。这是寻找到了暗能量、暗物质了吗?!暗能量、暗物质粒子之间是相互吸引还是相互排斥?按现有理论,暗物质、暗能量均匀分布在宇宙空间。他们没有聚集成宏观的物质存在,因此,这些物质之间应该是相互排斥的。这就产生一个疑问,虽然暗物质吸引星系物质促成了天体、星系、星系团的产生,但是,由于暗物质之间是相互排斥的。因此,即使有暗物质的存在。彼此的斥力也是不能允许星系、星系团的存在的。但这不是事实。这是为什么?
 
    我们知道,暗能量这个名词是由迈克•透纳引进的。
    概括地说。在1998年,两个研究小组通过观察发现,组距离地球十分遥远的天区 ,Ia型超新星爆炸释放出的能量比预期的要小,为此科学家们假设宇宙中存在一种充满整个空间的、增加宇宙膨胀速度的能量形式——暗能量。它具有负压强的能量。按照相对论,这种负压强在长距离类似于一种“反引力”——斥力。这个观点最初是用来解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一种假设。
在宇宙标准模型中,暗能量占据宇宙约68.3%的质能。
    暗能量现有两种模型:一种认为是爱因斯坦的宇宙学常数——一种均匀充满空间的常能量密度和标量场——一个能量密度随时空变化的动力学场,如,模空间等。对宇宙有恒定影响的标量场常被包含在宇宙常数中。宇宙常数在物理上等价于真空能量。
    十分令人遗憾的是,这两个模型都没有给出暗能量的物质基础。暗能量也是由构成我熟知的物质的质子、中子、电子、中微子等物质构成的吗?
    有人把"暗能量"称之为"真空能"。如果真空真是"暗能量"那么就应该具备一切能量的基本属性和基本特征-力量。可见真空是否具备力的特征和力的属性也就成为"暗能量"成为真空的前提条件。
    如果真空一旦被证明具备力的属性,那么"真空力"就成为独立于万有引力、电磁力、强力和弱力之后在自然界中普遍存在着的第五种自然作用力即"第五种力";。但是这是一种没有办法的办法,真空的物质基础时什么。这与我们物理学中原本定义的真空——与我们熟知的客观存在的物质相比较就是什么都没有,从而不影响物质的运动的理念是直接相悖的。
    正是因为有了牛顿定律,有了真空才使我们正确描述了太阳系中天体的运动。加入真空具有这种暗能量、暗物质的作用特征,就会直接影响牛顿万有引力在太阳系中的主宰作用,而此不是事实。特别是,这些产生引力的暗物质、产生斥力的暗物质暗能量典型特征就是拥有能量,因此,不可能没有惯性品质的存在。这样,它们均匀地分布在宇宙空间,一定会在宇宙天体的运动中产生阻力。由于宇宙中暗物质、暗能量占到了宇宙中物质的95.1%。因此,我们见到的宇宙中天体会在阻力作用逐渐减慢而最终落到核心天体上,至少我们能观察到所有的环绕引力中心运动的天体,都处于主减速的过程中,但这不是事实。
    特别是,这些暗物质、暗能量物质会被这些天体的运动冲撞得混乱运动,这样它们对宇宙天体的运动的引力或斥力就会因此变得就混乱。这样,我们宇宙中天体就会处于混乱无序地运动。
吾爱吾师,更爱真理。为什么现代的物理学家、天体物理学家不思考一下这些问题那?
我们知道宇宙的运动基本上是旋涡型的,所以暗物质、暗能量也应该是以一种旋涡运动的形式出现。但是,我们并没给出这写物质为什么也是以漩涡形式运动的。更没有理论解释一般认为暗物质、暗能量是均匀分布的。这应该是一个理论内在的矛盾。
    暗能量相比较暗物质更是奇特的有过之而无不及,因为它只有物质的作用效应而不具备物质的基本特征,所以都称不上物质故尔将其称之为"暗能量","暗能量"虽然也不被人们所感觉也不被现时各种仪器所观测,但是人们凭借理性思维可以预测并感知到它的确存在。
    但1998年,美国加州大学伯克利分校的物理学伯克利国家实验室高级科学家索尔皮尔姆特,以及澳大利亚国立大学布赖恩施密特分别领导的两个小组,通过观测发现,那些遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。换句话说,宇宙是在加速膨胀。
    然而,至少在90亿年前,宇宙中另外一种力量--表现为排斥力的发生的量的暗能量已经出现,并且开始逐步抵消引力作用。
    日本理化研究所发布新闻公报说,日本理化研究所的稻田直久和美国斯坦福大学的大栗真宗共同领导的研究小组,观测了宇宙空间中约2.3万个类星体,以求找到受"引力透镜效应"影响的类星体。
    此次观测到的受"引力透镜效应"影响的类星体数目非常多,科学家们认为,这也许只有暗能量才能解释。他们的进一步分析表明,在假设暗能量占到宇宙成分的70%时,理论计算与实际观测的结果最为吻合。
美国太空网研究表明,神秘的暗能量几乎确定的存在,尽管有些天文学家仍可能存在质疑。暗能量被认为是加速宇宙膨胀的物质。再经过两年的研究后,一支国际科研小组总结称,暗能量存在的可能性达到99.996%。但科学家对暗能量究竟是什么,仍知之甚少。
    美国加州理工学院的物理学家西恩卡罗尔也对《财经》记者强调,要找到一个更具确定性的模型,不仅需要天文学上的资料,可能更需要来自粒子物理学的证据。尤其是2007年即将在欧洲投入运行的大型强子对撞机(LHC),或许"我们可以期待"。
    1、通过对遥远星系团发出的X射线进行观测和分析,欧洲航天局科学家得出了与暗能量理论不符的结果。不过专家指出,新结果是否意味着人们一直探讨的宇宙暗能量"或许并不存在",仍需更多的观测研究来证明。
    2.关于暗能量理论,一些科学家认为,要验证暗能量是否存在,办法之一是比较各星系团中炽热气体的比例。
星系团由成百上千个星系组合而成,其半径达数百万光年。星系团的特点之一是其中有大量炽热气体,温度在1000万到1亿摄氏度之间。欧洲航天局的XMM牛顿天文望远镜捕捉到了古老的遥远星系团发出的X射线。科学家对此进行分析后得出了这些古老星系团中炽热气体所占的比例。他们将这些资料与距地球最近也就是最年轻的星系团中炽热气体所占比例进行了比较,结果发现二者没有差别。
    科学家认为,只有假设宇宙中没有暗能量才能解释这一现象。
    暗物质,暗能量肯定都是有品质的。所以能够产生引力,那么现在我们周围,银河系,星系之间的引力状况,就不会是现在观测到的那样。会更大。因为又增加了90%多的暗物质。
    暗物质与暗能量的作用是相互矛盾的。我们周围星系所受到的斥力应该远远大于引力,使得很少有星系能够维持在自己的轨道上,现在这样的星系,星系团,是不可能形成的。所以反引力和引力是一种半开放或者封闭的力。
科学家称167亿年后地球将被"暗能量"撕裂,这是一种没有依据的不负责任言论。
    2006年,美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-56进行观测,无意间观测到星系碰撞的过程,星系团碰撞威力之猛,使得黑暗物质与正常物质分开,因此发现了暗物质存在的直接证据。
    2007年5月16日出版的《天体物理学杂志》称,约翰斯•霍普金斯大学天文学家小组利用哈勃太空望远镜,探测到了位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质。天文学家们称,这是迄今为止能证明暗物质存在的最强有力的证据。研究小组成员、天文学家詹姆斯•杰说,“这是第一次探测到有着独特结构的暗物质,它的环状结构与星系团内部星系以及热气体的结构截然不同”。
    这将有助于天文学家分析暗物质与普通物质的区别,理解引力作用是如何影响暗物质的。
    2009年12月21日,科学家在Souden煤矿中发现暗物质,这是迄今为止最有力的发现暗物质证据。其他实验也在探寻来自暗物质的信号,比如地下氙(Lux)实验。美国费米太空望远镜则试图定位暗物质,寻找其在空间湮没(暗物质发生碰撞时,两个粒子将生成可以被探测器接收到的γ射线)的证据,但目前没有任何发现。
    2011年5月,义大利暗物质探测无果,该研究结果质疑其它发现暗物质的结果。有科学研究表明,大麦哲伦星系(距银河系约16万光年)未被银河系的引力撕碎的原因可能是因为暗物质的影响,使大麦哲伦星系幸免于难。
日内瓦时间2013年4月3日下午5点(北京时间2013年4月4日零点),诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授在日内瓦欧洲核子中心,首次公布其领导的阿尔法磁谱仪(AMS)专案18年之后的第一个实验结果——已发现的40万个正电子可能来自一个共同之源,即脉冲星或人们一直寻找的暗物质。
    2013年4月18日,美国物理学会的科学家报告称,在实验中发现大品质弱相互作用粒子的信号强度达到3个西格玛水准,他们发现暗物质的可能性达到99.8%。
    2013年4月,当地时间3日,诺贝尔奖获得者、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪专案团队宣布,他的团队借助阿尔法磁谱仪已发现40万个正电子,这些正电子可能来自人类一直寻找的暗物质。
    北京时间2014年9月18日,程林教授团队与丁肇中合作的AMS项目重大成果发布会在瑞士日内瓦举行。在已完成的观测中,证明暗物质存在实验的6个有关特征中,已有5个得到确认。
    2017年1月29日,在阿奇夫论文预印本网站上发表报告称,美国航空航天局的钱德拉X射线天文台的资料显示,以特定能量发出的超量X射线令图表上出现一个隆起。众所周知,X射线谱线能揭示暗物质的存在。
     “暗物质”星系团,也被称为“子弹星系团”,距离地球38亿光年。通过研究这类星系团,科学家能够测量出暗物质的不可见影响。子弹星系团是两个星系团碰撞的产物。其中普通物质——高温气体(粉色,X射线波段)——会碰撞、损失能量、运动速度变慢。星系团中的暗物质(蓝色,引力透镜观测)间相互作用很弱,可以彼此穿过。见下图:
 
    但是,事实上科学家们也不知道究竟何为暗物质。由于暗物质既不释放任何光线,也不反射任何光线,因此最强大的天文望远镜都无法直接探测到它。
    科学家们发现螺旋星系NGC 4736的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释,也就是说这个星系没有暗物质或者暗物质很少。
    地球上另一项探寻暗物质的尝试聚焦于强大的粒子加速器,这类加速器可以将亚原子粒子加速到接近光速,然后让它们相互碰撞。科学家们希望通过这种难以置信的高速碰撞从而产生奇异粒子,其中包括暗物质粒子。不幸的是,即使采用最强大的粒子加速器,至今也未能发现暗物质的任何迹象。
    最大的希望就寄托于新型的粒子加速器大型强子对撞机身。大型强子对撞机紧凑型μ子螺旋型磁谱仪实验专案组成员之一的恩诺表示,“大型强子对撞机或许会最终让我们获得足够的能量以产生暗物质粒子,并在撞击中发出它们。”。
    科学家们也无法确定暗物质粒子究竟有多大,有多重,以及究竟需要多大的能量才能够在实验室中发现它们。或许在任何加速器中都无法找到暗物质粒子。恩诺表示,“我们或许不知道这样一个事实,那就是暗物质粒子是我们无法制造或探测到的粒子。”
    暗物质的存在,加速了我们知道的物质收缩形成星系。因此,暗物质晕的密度分布应该在核区出现陡增,也就是说随着到中心距离的减小,其密度应该急剧升高,但是这与我们观测到的许多自引力系统的中心区域明显不符。正如在引力透镜研究中观测到的,星系团的核心密度就要低于由大品质暗物质晕模型计算出来的结果。普通旋涡星系其核心区域的暗物质比预期的就更少了,同样的情况也出现在一些低表面亮度星系中。矮星系,例如银河系的伴星系玉夫星系和天龙星系,则具有与理论形成鲜明对比的均匀密度中心。流体动力学模拟出来的星系盘其尺度和角动量都小于观测到的结果。在许多高表面亮度星系中都呈现出旋转的棒状结构,如果这一结构是稳定的,就要求其核心的密度要小于预期的值。
    这怎么解释?


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