宇宙時空 暗物质撑起宇宙星系

暗物质撑起宇宙星系

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【编者按】最近研究人员首次绘制了暗物质分布图,被认为是迄今为止宇宙学的最大成就之一。那么,暗物质这个时髦的科学名词究竟是什么?它真的存在吗?它又意味着什么?希望能籍此给读者提供一些知识和分析。

古希腊哲学家柏拉图认为:看得见的是看不见的影子。对今天的天文学家来说,看不见的暗物质对于看得见的物质,意味着什么呢?

科学家最近绘制了宇宙中暗物质的分布图。这是人类第一次分析暗物质在较大范围的结构,并且证实了一个假说,即暗物质就像脚手架一样,支撑着宇宙中的一切物质。

加州理工学院的斯科维尔(Nick Scoville)带领70余位世界各国的天文学家,利用哈勃望远镜,对太空进行了“宇宙演化勘测”(COSMOS)的大范围观测。据欧洲航天局报导,这一次太空观测的范围大约相当于10个满月的面积。

加州理工学院另一位学者梅西(Richard Massey)所率领的研究团队根据COSMOS的结果,绘制了暗物质三维分布图像,发现暗物质就像一张无形的网络,弥漫在宇宙间。

天文学家发现,同一范围的物质(星系)分布和暗物质分布大致一样。而且,像星系这样的物质是汇集在高密度的暗物质网络上的。

宇宙中物质(左)分布和暗物质(右)分布大致一样。(法新社/NASA) 

其实科学家很早以前就发现,观测到的星系规模和星系质量不相配。按照万有引力定律,许多星系规模太大,会因为自身引力不足以维持其结构而分崩离析,但是事实并非如此。

如今这个谜终于有了比较确凿的答案:是暗物质将宇宙的星系固定在相应的位置上。科学家推测,暗物质占宇宙总质量的5/6,远远大于可见物质的质量,然而,却因为看不见,就只能通过观测结果计算和推测。

科学家还发现,暗物质在宇宙漫长的岁月中渐渐解体,由完整的结构逐渐变成一个个的团块。理论认为,这种解体过程是由于其自身重力作用的结果。

研究人员表示,这张“暗物质三维分布图”堪称宇宙学的最大成就之一。

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2007年1月科学家利用NASA“宇宙演化勘测”小组的观测结果,绘制了暗物质的三维图像。
(NASA, ESA and R. Massey[CalTech]) 
 

漫谈暗物质
–宇宙演化中起重要作用 然真实面目仍是谜

作者:莫心海

我们平常能看到的物质(常规物质),包括组成这些物质的微观粒子,比如中子、质子、电子,科学家能够通过接收它们所发出或反射的电磁辐射观察到。与之对应的暗物质是指另类发出或反射很少的电磁辐射而不能被直接探测到的物质。暗物质虽然不能被直接观察到,但在天文学上,科学家已经发现很多证据,足以证明暗物质的存在。

*对暗物质的早期猜测

暗物质存在的最早证据,在1930年代为荷兰科学家简.奥特(Jan Oort)所发现。当研究近临星系中恒星在星系平面附近运行时,奥特计算出了恒星运行的速度。据观察,恒星能够绕着星系运行而不离开星系,他推断,星系周围一定有足够的物质施加引力,将星体约束住,就像太阳将各大行星约束在太阳系中各自的轨道上。

奥特据此推算,星系的总质量必须有能观察到的物质的三倍之多。他并没有提出暗物质的概念,但他认为,更精确的测量会消除这一矛盾。

1933 年,据瑞士天文学家弗里兹.茨维奇(Fritz Zwicky)研究,以冒号星系团中7个星系组成的一个小星系组的运行速度,用牛顿定律算出了星系团的“动力学质量”,然后和根据星系的发光强度推算出的星系团质量(发光质量) 相比,他惊讶的发现,动力学质量竟是发光质量的400倍!

科学家一般认为,动力学质量比发光质量更加可靠,因为任何物质之间都有引力作用。但发光质量则不同,其推算需要一系列假设。但当茨维奇宣布这一结果时,却由于他性格强硬、人缘不好,遭到了广泛的质疑和批评。

1936 年,辛克莱尔.史密斯(Sinclair Smith)发现了相似的现象,计算出的室女座星系团的动力学质量,比埃丁文.哈勃(Edwin Hubble)估计的发光质量大200倍。但当时很多天文学家认为,星系团不是一种稳定的结构,观察到的快速运动并不能证明暗物质的存在,加上当时宇宙膨胀才发现不久,暗物质的问题就逐渐被淡忘了。

*暗物质再次受重视

一晃几十年过去了,直到1970年,暗物质的问题才重新被提出来。在对螺旋状星系仙女座星系星体运动的研究中,美国天文学家伏拉.鲁宾(Vera Rubin)得到了星系旋转曲线,用以描绘星体运动速度随距离星系中心的变化。从旋转曲线,可以推算出星系中的质量分布。

比如,我们只要知道太阳系中某个行星的旋转速度和它到太阳的距离,就可以算出太阳的质量,当然星系中的质量分布要复杂些。如果星系质量是按照发光质量分布,旋转曲线应该在距离星系中心约1万光年达到最大,然后减小。

所以处于星系边缘的星体的旋转速度应该随着距离的增大而减小。太阳系中的行星旋转也类似,离太阳越近的行星旋转越快,离太阳越远的行星转速越小。地球绕太阳公转速度约为每秒30公里,而距离太阳更远的土星转速只有约地球的1/3。

但是鲁宾发现仙女座星系的星体似乎转得太快了,其他的螺旋星系也发现了类似的情况,旋转曲线是平坦的,也就是说,速度并没有像预期那样随着距离的增大而减小。上个世纪80年代的许多测量也都证实了鲁宾的结论。

鲁宾的观测结果提出了一个尖锐的问题。一个可能的解释是,存在庞大的不可见的物质晕环围绕着星系,不可见物质的总质量高达星系总质量的90%以上。所以,星系中所有的星体都处在暗物质的包围中,几乎都处在包括暗物质的星系的中心,没有处在星系中速度应该衰减的区域。研究表明,星系中的暗物质晕环一直延伸到距离星系中心15万光年的地方。

另外,在超级星系团中,也发现了类似的想像。发现暗物质质量是常规的发光物质的300倍。至此,科学家们普遍相信暗物质的确存在。但是暗物质到底占了星系总质量的多少,还没有一个令人信服的数字。

*现代天文学对暗物质的研究

从上个世纪90年代到本世纪初,美国航空航天局(NASA)先后发射了几个太空望远镜,这些望远镜已经成为科学家研究太空的有力工具。

2001 年9月6日,英国剑桥大学的一个科研小组公布了关于暗物质的研究结果。他们利用美国航空航天局(NASA)钱德勒X射线观测站( Chandra X-ray Observatory )测量了5个分别在15亿和40亿光年以外的星系团的质量,并且将探测其结果与星系团应该具有的质量进行了比较。

他们发现星系团中,所有恒星和高温气体的质量总和占星系团真正质量的13%。因为星系团是构成宇宙的主要部份,所以天文学家认为,暗物质占整个宇宙的87%左右。

科学家发现在大尺度上,宇宙中物质的分布就像一个巨大的纤维网,质量分布密度大的地方是网丝,而星系就分布在纤维的节点上。在宇宙大尺度上,暗物质和常规物质有着同样的分布规律:它们被嵌入几乎是一模一样的“纤维网”中。

2006年8月21日,据NASA钱德勒望远镜新闻中心报导,科学家在两个大星系团的巨大碰撞中,首次发现了暗物质存在的证据。科学家用钱德勒望远镜、欧洲南方天文台的超大型望远镜、麦哲伦光学望远镜以及哈勃太空望远镜,观测了这次发生在子弹星团的碰撞。

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2006年8月发表的研究,通过观测两个星系团碰撞后形成的物质云团,直接证实了暗物质的存在。
(法新社/NASA) 

钱德勒望远镜用于测量高温气体发出的X射线,所以可以推算出星系团的常规物质质量。而其他望远镜则通过引力透镜效应(光线经过星系附近时,会受到星系吸引而发生偏折,类似透镜对光的偏折作用)测量星系团的总质量,从而推算出碰撞星系团中的暗物质分布。

研究发现,暗物质的热气体在碰撞后发生了分离。科学家解释,这是因为热气体在碰撞时,受到粘滞阻力而变慢,而暗物质和暗物质以及热气体之间,只有引力作用,没有受到阻力,从而使得两种物质分离开。如果没有暗物质,则这种分离很难解释。科学家认为,这是暗物质存在的直接证据。

暗物质分布是通过引力透镜效应推算出来的。研究表明,宇宙中的物质不是均匀分布,而是分布在海绵状的巨大纤维结构中。得到的结果和常规物质的分布对比表明,常规物质汇聚在暗物质分布集中的区域。

科学家认为,暗物质在宇宙早期的演化过程中,对星系中的常规物质聚集成为星系结构,起着至关重要的作用,可以说,暗物质是建造宇宙的脚手架,而星体和星系则在暗物质的构架中汇集成形。如果没有暗物质的存在,宇宙中就没有足够的质量,使得物质聚集成形和形成星系。详见前文〈暗物质分布图绘制宇宙学伟大成就〉。

科学家提出了各种各样关于暗物质的猜想,但是还没有一个理论得到令人信服的实验结果的支持,可以说,暗物质这个“另外的世界”的真实面目至今还是个谜。

 

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