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暗物質存在的證據是什么 暗物質 證據

小知識暗物質 證據



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暗物質存在的證據是什么 暗物質 證據

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迄今為止，暗物質存在最有力的證據
現在我們看到的這張圖片是暗物質存在最好的證據了，是人們在2006年發現的，圖中顯示了兩個星系團碰撞以后的場景，那為什么星系團的碰撞就可以讓神秘的暗物質現身呢？且聽我慢慢道來 。
我們知道在宇宙中存在著數以千億計的星系團，在小一些的星系團中一般有幾百個成員星系，大一點的星系團有數千個成員星系 。
每個星系團的物質分布，跟單個星系的物質分布有點類似，中心區域的星系能夠密集一些，而且幾乎都是大型橢圓星系，那么越往星系團的邊緣，星系的分布越稀疏，而且都是體量比較小的螺旋星系 。
除了有星系以外，在星系團中還有兩類物質，上節課我們已經說過了，一個是等離子體，也叫暖熱星系際介質，一類叫中性氣體，也叫冷星系際介質 。
它們大量地彌散在星系團的內部，也就是星系之間，總的質量比恒星物質大了7倍作用，是星系團中主要的引力源 。
如果我們現在承認，在星系團中還有5倍于普通物質的暗物質的話，這些暗物質不僅會彌散在星系的周圍，它們也會彌散在星系團的周圍，并且會圍繞著星系團形成一個巨大的暗物質暈輪 。
現在我們看到的是這張照片是哈勃太空望遠鏡拍攝到的四個星系團，通過可見光我們就能知道星系團中發光物質的分布情況，然后我們通過引力微透鏡就能知道星系團的引力分布情況，如果我們認為星系團中有5倍于普通物質的暗物質，那么我們就能夠知道暗物質的分布情況，圖中粉紅色的區域就是星系團周圍彌散的暗物質暈，要比星系團大了很多 。
假如現在我們讓兩個星系團發生碰撞，你覺得會發生啥事？我覺得要考慮三個方面的因素，星系團中的恒星物質、星系團中的氣體物質，星系團中的暗物質 。
先說恒星物質，恒星存在于星系當中，一般我們看到的星系是這樣的，感覺星系中的物質相當的稠密，要是星系發生了碰撞，其中所有的物質肯定都會攪在一起，變成一鍋粥 。
其實并不是這樣的，恒星雖然很大，平均來說直徑有1000萬公里，但星系更大，比如銀河系直徑10萬光年，就算是銀河系中有2000億顆恒星，那它們的分布也是非常稀疏的，比如距離太陽最近的恒星也足有4光年 。所以恒星跟它們之間的距離比起來簡直就像是一顆塵埃一樣 。
因此就算是兩個星系直直地撞在一起，其中大部分的恒星都不會發生碰撞，而是會互相從它們的空間中穿過，只有少量的恒星會裝在一起 。
那么星系團也一樣，如果一個星系團中有數千個星系，假如星系團相撞的話，由他的尺度也很大，所以也只有很少很少的星系會撞在一起，絕大部分的星系都會相安無事的擦肩而過 。
這就好比兩個人拿著霰彈槍對射一樣，射出來的子彈絕大部分都會互相穿過，只有極小的幾率子彈碎片會撞在一起 。
總結起來就是，要是兩個星系團相撞的話，其中恒星物質不會發生相互作用，會很容易地穿過對方 。
接下來我們說，彌漫在星系團周圍和內部的氣體，很容易能夠想到，氣體物質包括等離子體在內，跟稀疏的恒星物質肯定不一樣，即使氣體物質很稀薄，當兩個星系團高速相撞的時候，其中的氣體會發生充分的相互作用，會將動能轉化為熱能，并且釋放出強烈的X射線 。
所以，當星系團相撞以后，我們就可以在X射線波段看到，星系團中的氣體物質會明顯的滯后于恒星物質的運動 。
最后我們說下暗物質，暗物質跟氣體物質一樣，也是大量地彌散在星系團的內部和周圍，當然它們要比氣體物質的分布更加廣泛，區別在于當兩個星系團相撞的時候，暗物質和氣體物質的表現不一樣 。
它們不會和普通物質撞在一起，也不會和自己撞在一起，因為暗物質沒有電磁相互作用，因此兩個星系團相撞以后，暗物質它不會升溫，也不會發光，也不會減速 。它們跟恒星物質一樣，會更加地輕松穿過對方 。
【暗物質存在的證據是什么 暗物質 證據】現在我們看到的圖片就展示了粉紅色的氣體物質和藍色的暗物質，在碰撞中的不同表現，很明顯可以看到由于氣體物質的相互作用，它們的運動會滯后暗物質 。
正因為這個差異的存在，就可以讓我們辨別星系團中是不是有暗物質存在，你看，是這樣的，我們知道氣體物質的質量比恒星物質大了7倍，暗物質的質量比所有普通物質大了5倍 。
那么如果暗物質不存在的話，星系團相撞以后，引力的主要區域就跟氣體物質的區域應該是一致的，如果暗物質存在，星系團碰撞以后，引力的主要區域就會跟恒星的位置一致 。
如果我們現在在宇宙中能夠找到剛剛發生碰撞不久的星系團，通過X射線觀察，我們就能確定碰撞以后氣體的物質，然后通過弱引力透鏡，就能看出碰撞以后，引力的主要區域在哪里 。
如果兩個位置一致，也就是氣體云的位置就是引力的主要位置，就說明沒有暗物質，如果兩個位置不一致，就說明存在不發生電磁相互作用的暗物質 。
其實找這個東西并不難，畢竟宇宙的星系團數量很多，就是2006年的時候，科學家就發現了一個剛剛發生碰撞不久的星系團，叫子彈星系團 。
通過X射線觀察，以及弱引力透鏡的分析，我們發現碰撞以后的子彈星系團，它的主要引力區域，跟氣體位置發生了錯位，因為我們就認為星系團中存在暗物質 。
其實就是我們開篇看到的那張圖片，其中分紅的區域就是氣體的位置，藍色的區域就是引力集中的區域，可以看出，引力比較大的地方就是一些發光的恒星物質，但是物質的質量比氣體小了很多，所以我們只能認為在恒星區域有我們看不到的暗物質，產生了巨大的引力 。
所以說，這個發現就成為了暗物質存在的最有力的證據了 。那么在往后的發展中，我們也看到了其他星系團碰撞以后的情況，都有力的表明了，子彈星系團的現象并非個例 。
現在我們看到的是四個星系團碰撞以后的情況，有些星系團碰撞的時間只有幾億年，有些是20億年前發生的碰撞，都可以看到光學信號和引力信號出現了位置偏差 。這樣的例子還有很多，比如下面這些星系團 。
每一個都說明了暗物質的真實存在，并不是人類的胡思亂想 。所以接下來的問題是，暗物質到底是啥？它都具有哪些性質？為什么我們找不到它？
現在我們認為暗物質是不存在于標準模型中一種尚未被發現的新型粒子，它的性質其實跟中微子有點像，沒有電磁相互作用，沒有強相互作用，只有很弱的弱相互作用和引力相互作用 。
在以前我們也把中微子當作了暗物質粒子的候選粒子，不過事實證明，中微子并不是暗物質粒子，雖然它們的數量很多，跟微波背景輻射中光子的數量差不多，但是中微子的質量很小，我們知道目前有三種類型的中微子，包括電子中微子、μ子中微子、τ子中微子，我們不管這三種中微子它們的質量分別是多少，只要它們三個的質量加起來有11.2 eV 。
那暗物質的問題就解決了，我們就可以認為，為星系提供額外引力的物質就是中微子，其實11.2 ev的質量并不高，你知道電子的質量是多少？51萬 eV，這可是宇宙中第二輕的粒子 。
所以說，我們對中微子的要求并不高，但是通過微波背景輻射以及中微子振蕩，我們發現三種中微子的質量上限為0.18 eV，下限為0.06eV 。
這差得很遠，因此中微子不能解釋質量缺失的問題 。那中微子不行，標準模型中的其他粒子更不行，它們不是具有電磁相互作用，比如夸克和帶電輕子，就是因為不穩定，比如一些重玻色子，所以都不能稱為暗物質的候選粒子 。
因此我們必須假設一種新粒子，它們沒有電磁相互作用、有質量、穩定、冷 。這里說的冷的意思是，這種粒子的動能要遠低于自身的靜止質量，或者說，這種粒子的靜止質量至少要大于電子的2% 。
這就是我們所說的冷暗物質模型，在冷暗物質模型中，有兩種類型的候選粒子，一種是弱相互作用大質量粒子，簡稱WIMP，它們隨著大爆炸跟普通物質一起誕生。
另外一種類型的粒子跟上面說的性質基本上一樣，只不過誕生的時間不同，它們沒有跟普通物質一起誕生，而是在宇宙降溫的過程中，因為發生了力的對稱性破缺，所以一些粒子就衰變產生了暗物質粒子 。這種類型的粒子被稱為軸子 。
當然還有一些其他的暗物質模型，以及候選粒子 。不過，到今天為止，我們依舊沒有發現任何暗物質粒子存在的信號，連一點蛛絲馬跡都沒有找到，但大量的證據又表明了宇宙中有質量缺失 。所以說，不出意外的話，暗物質還真就成為了累世難解的謎題 。
好了，今天的內容就到這里，除了暗物質這個難題以外，我們還有暗能量，這是我們下節課的內容 。