暗物質的五個驚人事實！99%的宇宙都被它掌控？

在科學的世界裡,總有一些邊緣體論的擁護者 他們試圖讓那些早已被主流科學否定的想法復活 有時候,這確實是因為新的證據出現了 動搖了原本的體論框架 迫使科學家重新審視那些被遺棄的假說 有時候,是因為一些出乎意料的觀察結果 讓曾經被否認的體論重新回到了舞臺中央 但是,並非所有的復活體論都源於新發現 有時候,只是一場虛假的敘事 一些被專業人士早已駁斥的觀點 被巧妙的包裝、傳播重新在互聯網上蔓延 新的受眾往往被這些似是而非的說法吸引 卻不知道他們早已被科學界徹底推翻 如果你不是專業體育的研究者 要分辨這些說法的是真是假 其實幾乎不可能 尤其是這幾年 這種是真是假的聲音越來越多 例如,一位著名的反主流物理學家 在文章和視頻中聲稱 暗物質的證據已經動搖 我們應該重新考慮修正引力體論 甚至最近,還有另一位知名的科學家宣稱 暗物質根本不存在 可如果你仔細看過那些 宇宙中無法辨駁的觀測證據就會發現 這些說法即使經不起推敲 暗物質的存在並非憑空假設 而是由無數觀測共同指向的結論 接下來,讓我們一起看看 關於暗物質的五個不可否認的真相 瞭解它們之後 你就可以輕易看穿那些製造白議論的偽論調 也更能清楚地體解這個宇宙中 最神祕、最龐大的謎題之一 到底為何如此重要? 宇宙中普通物質的總量早已經被精確地測定 當你仰望星空 看到無數的恆星、星系、星雲、塵埃 等體質體,甚至黑洞 也許你會想 宇宙中是不是還有更多我們沒有看到的普通物質? 畢竟,那些奇怪的引力效應 星系轉得太快 星團的質量不夠解釋它們的運動 或許,只是因為宇宙體還有某種隱藏的普通物質 那些我們看不見 但依然由子子、中子組成的東西 事實上,在20世紀中後期 暗物質這個想法一度是科學界拒絕承認的 人們認為 也許宇宙中還有大量未被探測到的氣體、塵埃 或者等體質體 也許,如果中微子有質量 它們能夠解釋那失蹤的能量 甚至有人推測 也許早期宇宙就誕生了許多黑洞 那些黑洞的質量加起來 正好能補上丟失的質量 聽起來似乎很合理 但這些假設都被數據否定了 因為我們已經非常精確地知道宇宙中普通物質的總量 它只佔整個宇宙能量密度的4.9% 誤差大約是0.1% 這不是猜測 而是來自多重觀測的直接證據 在大爆炸後的最初幾分鐘 炙熱的高冷環境讓一些氫元素在宇宙爐中誕生 這些元素的數量比例 取決於一個關鍵的參數 重子與光子的比例 科學家們通過觀測兩種信號 精確地反推出了這個比例 一是通過遙遠氣體雲的光譜 直接測得了這些氫元素的豐度 二是通過分析宇宙微波背景輻射的細微波動 間接得出了早期宇宙的物質密度 兩種完全獨立的方法卻得出了同樣的結論 宇宙中只有不到5%的能量 屬於我們熟悉的暗物質 這意味著由普通物質形成的黑洞 不可能佔據暗物質的主要比例 中微子也不可能 因為三種中微子早已經被納入了標準模型 它們的性質無法解釋宇宙中那巨大的隱密缺口 換句話說 在我們所認識的所有物質類型中 沒有任何一種能夠承擔起暗物質的角色 宇宙中的隱匿證據清楚地告訴我們 必須存在一種全新未被發現的成分 才能讓我們觀測到的一切現象 星系的旋轉,宇宙的結構合理成立 我們稱它為暗物質 它並不是體內的臆想 而是宇宙自下的必須存在的隱藏的基石 想像一下,最初的宇宙 那時候它炙熱,緻密,幾乎完美地均勻 隨著宇宙的不斷膨脹和冷卻 其中一些區域的密度略高於其他的地方 於是,它們開始在隱匿的作用下 吸收周圍的物質向自己靠攏 隱匿它總是有吸引力的 密度越高的區域,吸引的物質就會越多 於是,這些區域不斷地變得更加密集 像宇宙初期的銀粒粒種子 在無聲無形中孕育著星系的雛形 但事情並不是一直這麼順利地探索下去 當物質聚集得越來越多 背部的輻射壓力也會變得越來越大 這股壓力會反抗引力的拉扯 就像一根繩子被強迫力量同時拉扯 一邊要探索,一邊要撐開 最終,密度達到頂點 光子,也就是輻射粒子開始逃逸 區域變得稀疏,密度開始下降 然後又重新探索,再稀疏 這種引力與輻射的拉扯 就這樣形成了宇宙早期的節奏,一種震盪 這樣的震盪,正是我們今天在宇宙微波背景中看到的溫度起伏 它們是宇宙最初幾十萬年留下的聲波化石 隨著時間的推移,這些微小的密度差異 後來形成了星系,恆星,乃至整個宇宙網結構的起源 然後,這種震盪模式會隨著宇宙成分的不同而發生變化 一個只有普通物質的宇宙 和一個同時擁有暗物質和普通物質的宇宙 在微波背景與大尺度結構中呈現出溫度補得完全不同 因為暗物質與普通物質的物理規則不一樣 它們受到的引力影響,密度增加時都會提高輻射壓力 但區別在於,普通物質會相互碰撞 會和光相互作用,而暗物質完全不會 它不會與光對話,不會吸收,不會反射 也不會被電磁力影響,它只受引力支配,沉默而獨立 正因為如此,暗物質能在早期宇宙中先行聚集 為普通物質提供引力骨架,讓星系得以快速形成 在這種模型下,我們在宇宙微波背景中看到雙倍數量的振動光值 在宇宙大尺度結構的功率補中也呈現出相同的特徵 這正是隻有暗物質加普通物質才能解釋的現象 換句話說,如果沒有暗物質 我們無法解釋宇宙微波背景的溫度分佈 也無法解釋今天宇宙中星系分佈結構 暗物質必須存在,而且它必須是冷的,不碰撞的,背光完全透明的 這意味著,它不是任何標準模型中的粒子 不是中微子,也不是普通的原子,或者等體質體 它是一種全新的已知物理的宇宙成分 當然,有時會有反主流的研究試圖在沒有暗物質的前提下解釋這種現象 它們也被引入某種額外的長,或者重中微子 並人為地調整參數,讓它們的效果看起來像是暗物質 但歸根結底,那些假設依然在做同一件事情 在系統裡加一種扮演暗物質的角色的成分 無論他們怎麼稱呼,這個看不見的角色仍然就是暗物質 最近,有一些科學界的藏反調查開始推行一種說法 既然粒子本質上是一種釀製廠的激發 那我們是不是可以只要改一改重粒廠,或者加一個新的釀製廠 就能解釋暗物質聽起來是否很合理? 但其實,這是一個半真半假的誤導 為什麼這麼說?因為廠這個概念非常寬泛 它充滿整個宇宙空間,可以是均勻的,也可以是分佈不均勻的 可以朝向各個方向,也可以有特定的方向 它既可以和別的東西產生作用,也可以完全不互動 而粒子就不同,如果它有質量,它就必須像我們熟悉的物質那樣運動 它會聚集產生引力,遵循能量守恆,具有動能和勢能的關係 它有明確的粒子屬性,比如散射截面,偶合常數,碰撞機率 而且它遵循我們目前已知的物理定律 正因為如此,我們從各種天文觀測中推論出 暗物質的表現幾乎完全符合一種粒子的行為特徵 當然,這不代表它不能被看作一種無壓球體,或者塵埃狀的分佈 它甚至可能與其他物質相互作用,截面非常小 幾乎只靠引力在影響宇宙 但關鍵在於,如果你要用廠來取代粒子、暗物質 那麼這個廠必須表現得跟無數個擁有質量的粒子一模一樣 換句話說,你可以說暗物質是廠 但這個廠的表現方式必須跟粒子暗物質在天體尺度上毫無區別 尤其是在星系團、超星系團那些上千萬光年的巨大尺度上 它的行為模式完全符合一種冰冷、龐大、不會相互散射的粒子群 所以,暗物質究竟是不是粒子? 從宇宙的演化、星系的形成到星系團的運動來看 它的行為方式幾乎就是在告訴我們 它就是一個龐大、冷靜、不會碰撞的粒子 暗物質體論真正遇到的麻煩大多都出現在微觀宇宙 也就是單個星系或者更小尺度上 在這些小尺度下冷得、不會碰撞的暗物質模型 確實有時會與觀測數據不大吻合 於是,有人就提出 那我們乾脆重新修訂重力定律不就好了嗎? 聽起來好像挺有道理,但這裡有一個隱藏的真相 這些小尺度的宇宙其實充滿了我們還沒有搞清楚的複雜物理過程 包括恆星形成、恆星爆發後的返回效應、氣體的調動、引力加熱 這些過程被相互影響,連鎖反應極其複雜 所以,在我們真正搞懂這些物理細節之前 我們根本無法斷定到底是暗物質模型搞錯了 還是重力體論需要修改 這可不是一句話能解決的事 當物質探索進行星系中心時 它會失去角動量,變得更熱,觸發新的恆星誕生 新恆星釋放的強烈輻射又會把氣體往外推 這些氣體反過來又會加熱中心區域的暗物質 所有這些反反相扣的過程都必須被精確地計算進去 到目前為止,我們的模擬通常只是用了簡單的假設 假設暗物質是冷的,不碰撞的,沒有任何外部相互作用 可實際上,也許暗物質之間有輕微的相互作用 也許它和普通物質之間存在著某種我們還沒有發現的聯繫 所以,科學家現在做的兩件事其實是並行的 一邊改進重力模型,一邊深入研究暗物質可能有哪些新的物理性質 但無論哪種方式,都無法繞過暗物質這個核心存在 換句話說,就算你不用這個名字 那個看不見的質量依然得存在 有趣的是,當我們單獨研究某些信息的時候 的確有一些結果似乎支持修改重力 但一旦你把所有類型的信息放在一起分析,就會發現 修正重力理論只是解釋其中一部分 而暗物質模型能夠解釋得更廣,更一致 這裡最容易被忽略,但也是最重要的一點 如果一個理論想要取代暗物質 那它必須同時解釋宇宙微波背景中全部7個升雪峯 不是隻挑前兩個 不能偷偷加上一種看起來像暗物質的成分 然後假裝沒加 不能只解釋信息裡的小結構 卻犧牲掉大尺度宇宙中暗物質已經成功解釋的結果 也不能因為某些罕見的統計波動 就宣稱主題體論錯了 科學的規則很簡單 要推翻一個舊體論 必須先做到舊體論已經做對了一切 只有在此基礎上才能談更好的解釋 在宇宙的大尺度上 重力是最乾淨的實驗室 沒有亂七八糟的恆星爆炸、氣體擾動 物理過程相對單純 而在小尺度上 科學家的模擬仍在不斷進步 換句話說,大尺度物理我們已經搞清楚了 它明確地指向了暗物質 小尺度的問題還需要時間去完善模型 真正危險的是 只看結果對不對,卻忽略了過程 因為你可能只是碰巧算對了,而不是真正理解了 那樣做最容易騙到的其實是你自己 目前科學家還不能百分百確定 重力定律是否最終需要修改 但有一點可以非常的肯定 宇宙中大約有5%的物質的確是暗的 由此可見,暗物質對宇宙確實影響深遠 那是一種看不見的力量 默默地推動著宇宙的演化 探測和研究暗物質 是一個拓展人類認知邊界的過程 科學家不斷提出新的理論和研究方法 每一次新發現都可能顛覆我們對宇宙的認識 宇宙,誕生於138億年前的大爆炸 在誕生之中,它處於高溫、高密度均勻的狀態 伴隨著宇宙的膨脹、冷卻、原子形成 並在引力的作用下聚集 大爆炸後大約一億年,一代恆星形成 隨之形成的是恆星的聚集體——星系 星系通過合併、吸收氣體逐漸成長 璀璨的星系世界就這樣從無到有一步步形成 20世紀30年代以來,一系列天文觀測顯示 以星系為代表的原子物質 只佔據宇宙總物質的很少一部分 宇宙中存在大量產生引力卻不發光的物質 這樣的物質就被稱作為暗物質 它的總量遠遠超過了可見的物質 暗物質的存在對宇宙結構演化和星系形成至關重要 在宇宙的早期,暗物質聚集產生的引力 提供了星系形成所需要的引力示警 如果暗物質不存在 那麼我們所屬的銀河系就無法形成 因此,暗物質一直是天文學最重要的研究對象之一 暗物質和原子物質不同 它不佔與電池相互作用、不發光 也不會被光照亮 科學家是基於現代暗物質引力效應 測廢其在宇宙中的分佈 進而探索暗物質究竟是什麼 隨著新一代高機密天文觀測設施的投入 隱形的暗物質正在被更好地看見 現在科學家主要有三種測量暗物質的方法 一種是暗物質存在引力,這會影響天體的運動 而天體的運動可以通過光譜學方法和天體測量譜作道 20世紀30年代,天文學家弗裏茨史維基正是 因為發現了星系團中星系的運動速度太快 需要額外的物質來提供引力束縛 進而意識到暗物質的存在 現在,對恆星、星團、星際氣體雲等天體的測量 仍然是研究銀河系和亭進行星類暗物質分佈的主要手段 第二種方法是通過引力透鏡效應進行暗物質研究 這也是應用最廣泛的暗物質測飛方法 根據廣義相對論,任何物質都會有引力效應 能夠使其周圍空間彎曲 遙遠星系的發出的光,經過彎曲的宇宙空間來到地球 觀測者看到的星系形態與其本來的形態相比,就是扭曲的 這類似於透過玻璃透鏡觀察世界,會看到扭曲的景象 因此稱作引力透鏡效應 在大多數情況下,這種扭曲非常輕微 被稱作為弱引力透鏡效應 天文學家通過精確測量目標天體區域大量星系的形態 並進行統計分析,可以提取由暗物質帶來的空間扭曲信息 進來分析目標天體區域暗物質的分佈情況 此外,在背景星系作為透鏡的引力視場中心 觀測者三者幾乎連成一線的情況下 觀測者觀察到的星系圖像會有強烈的扭曲 形成愛因斯坦環、巨幅等引力透鏡現象 強引力透鏡現象特別適合在研究宇宙小尺度 1000到10萬光年尺度的暗物質分佈 第三種方法是利用星系作為示眾物來研究暗物質在宇宙尺度的分佈 所有的星系都會形成在被稱為暗運的暗物質團塊中 並隨著暗運的質量增長和相互合併演化 如果我們把星系在數千萬光年的空間尺度上的分佈畫成一張圖 這張圖會呈現出珠網般的形態 被科學家稱為宇宙網 宇宙網實際上呈現了暗物質分佈的大尺度結構 基於宇宙結構的演化理論 科學家可以通過統計星系的空間分佈 星系與星系之間的位置關聯來研究暗物質的宇宙分佈 人類目前對暗物質的認識主要來自於天文觀測 通過宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結構等觀測 科學家確定暗物質的總量是可見物質的總量的五倍以上 此外,暗物質粒子的性質 必須允許宇宙結構以一種等級成團的方式形成 小的結構先於大的結構形成 這暗示暗物質可能是一類質量很大的粒子 在宇宙早期具有較小運動速度 符合這樣性質的暗物質被稱為冷暗物質 當前,天文學前文觀測對於暗物質性質的探索 主要集中在兩個方面 首先是暗物質粒子的質量 這個問題通常被描述為暗物質究竟有多冷 在宇宙中,越冷的暗物質 能夠形成越多的低質量暗韻 對於強硬、泥透性、銀河系、星球等現象的觀測 可以探測到質量非常低的暗韻 另一方面,暗物質粒子是如何與其他粒子及其自身發生相互作用 這可以被形象地描述為 暗物質粒子會不會發生碰撞 暗物質粒子的這一性質會影響到暗韻的內部結構 通過強弱銀、泥透性和運動學方法精確測量暗韻內的物質分佈 將有助於調節暗物質粒子的碰撞能力 天文學家當前希望將不同的觀測方法結合起來 獲取從太陽庭域到百億光年尺度的暗物質分佈的詳細地圖 這需要開展一種被稱作為巡天的普查式觀測 用於系統均勻地獲取廣闊宇宙空間中的天體圖像、光譜信息 並從中汲取星系動力學、引力透鏡等信息 進而測繪暗物質分佈、新一代空間天文旗艦級項目 包括歐洲總聯局發設的歐基底德望遠鏡、中國的巡天空間望遠鏡 和美國的羅曼空間望遠鏡 可將在太空開展高精度的巡天觀測 巡天空間望遠鏡的口徑和哈佛差不多 但一次可觀測的天體範圍遠超美國發設的哈佛空間望遠鏡和美國的韋伯望遠鏡 如果說哈佛望遠鏡的長焦鏡頭可以拍攝到遠山上的一頭懶牛的精細照片 巡天空間望遠鏡就好比廣角鏡頭 可以一次性拍攝整個山上的牛群的圖像 並且其中任何一頭牛的樣子都十分清晰 除了巡天望遠鏡 中國還建設了一系列的適合展開暗物質研究的地面望遠鏡 比如火手鏡望遠鏡 這是測量銀河系內暗物質分佈的重要設施 中國天眼500米口徑的九面射電望遠鏡 可提供停靜宇宙青原子雲它們的分佈信息 這些青原子雲可以作為暗物質的四中底來搜索低質量的暗運 隨著新一代海量天文數據的獲取 在未來的10到20年 暗物質的天文學測費仰望進入新的黃金時期 現階段我們所能做的就是努力 也許並不是為了明天或者後天 而是為了更遙遠的未來 我們期待能夠真正體現暗物質世界 如果宇宙中85%物質我們都看不見摸不著 也無法直接探測的 那我們所認知的世界是不是真的只是冰山一角 也許暗物質不是一種東西 而是一整個我們從未觸及的隱形宇宙 在那裡 清晰的骨架 指尖的脈絡 甚至宇宙的祕密 都有這片無聲的暗影在主宰 下次 當你在仰望星空的時候 別只看那閃爍的星光 也想想那些讓星光存在的黑暗 它或許纔是真正塑造宇宙的力量