暗物質無處不在! 每一秒，有多少暗物質正穿過你的身體？

宇宙看起來充滿了一切 行星、恆星、氣體、塵埃、星系 還有數不清的天體結構 但如果我們真的把這些東西一項一項加起來 會發現一個嚴重的問題 它們的總量對不上賬 在最大的宇宙尺度上 無論我們把望遠鏡指向哪裏 得到的結論幾乎完全一致 可見物質的數量 遠遠不足以解釋我們觀測到的引力效應 這種古怪物質所組成的網絡 將組成我們宇宙的諸多星系聯繫起來 雖然我們看不到也感覺不到這種神祕的東西 但科學家們非常確定它的存在 因爲科學家們可以檢測到它的引力 這的確非常奇怪 你所看到的、你所知道的和你所經歷的一切 實際上只是宇宙中最微小、最微小的一部分 而宇宙中的大多數物質 卻是由一種我們還沒有發現的物質構成的 這種奇怪的幽靈物質叫做暗物質 大多數科學家認爲 暗物質是一種基本粒子 存在於遼闊的宇宙中 就像是一張看不見的大網連接着 組成我們宇宙的兩萬億星系 如果你能戴上某種能探測到暗物質的面具或護目鏡 你會看到每秒有數百萬個暗物質穿過你的身體 數百萬計、數十億計的暗物質一直圍繞在你身邊 那麼科學家們如何確信存在暗物質的呢? 1933年 瑞士一美國物理學家弗裏茨 自維基在一個名爲後發星系團的遙遠星系群中 追蹤一些星系奇怪的運動 這些星系正以令人費解的速度圍繞星團加速 這些星系竟然以每秒1000英里的速度移動 根據現有的物理理論 在這樣的速度下 星系團的星系應該像煙花的火花一樣飛舞 而不會仍然束縛在星團中 自維基意識到必須有額外的東西才能束縛這些星系 這是科學家首次提出暗物質概念 事實上 後發星系團不是一個孤立的案例 這是B星團 這個由700顆恆星組成的家族 距離地球有150光年的距離 在宇宙尺度上 就好像是在我們的後院 由於B星團確實離地球很近 所以可以用肉眼就能看到它 當你抬頭仰望夜空時 B星團位於金牛座 是V字形狀 B星團是科學家們在整個天空中研究的最爲深入的星團之一 科學家們發現有兩條星尾從星團中心延伸出來 它們應該大致相等 但其中一條尾巴正在流失恆星 有東西擾亂了它 冰隊對它施加了一種力把恆星從軌道上扯了下來 具有巨大引力的物體經過星團並奪走了星團中的恆星 這個巨大引力的物體高達太陽質量的一千萬倍 按理 這個可怕的宇宙劫匪應該可以被發現 但當科學家們把望遠鏡指向它應該在的地方時 那個區域卻是空的 那裏什麼都沒有 科學家們知道那外面有什麼東西 但看不見並且很強大 那會是什麼呢 一個主要的嫌疑犯就會被叫進來 一個物理學的幽靈 暗物質 事實上 天文學家在星際內部看到了同樣的動態 在完全由引力控制的系統中 離中心最遠的物體完成一個軌道所需的時間最長 但在許多星系中 外部恆星的軌道運行速度幾乎與核心恆星相同 這幾乎就像一張碟片的照片 那張碟片的每一部分都像一張實行光盤一樣旋轉 恆星的速度太快 星系的引力應該無法保持住 它們應該直接飛入太空 整個星系應該會分崩離析 可以想象一下 拿一盤面團旋轉起來做披薩 當旋轉得越快 那些外部區域就越遠 最終麪糰會飛到任何地方 然而 星系並沒有發生這個現象 物理學家對此現象做了一個解釋 星系位於一個巨大的 由不可見的暗物質組成的球體中 正是這種額外的質量 使得恆星在星際邊緣能夠快速旋轉 通過計算將這些高速運行的外部恆星 與星系相結合所需的質量 物理學家能夠估算出相比於暗物質 那裏應該有多少普通物質 結果令人震驚 所有我們認爲存在的普通物質 大概只佔我們宇宙的15% 也就是說 我們已知的物質甚至不是主要物質 宇宙中的主要物質竟然是那些 我們看不見也摸不着的暗物質 既然暗物質佔了宇宙物質的很大部分 那麼由暗物質組成的巨大團塊 就會形成一個引力透鏡 首次發現暗物質 在遙遠星系團的巨大爆炸中 展示它的空間扭曲能力 是在2014年11月 探測到Red Star超新星的爆炸 超新星就是大質量恆星的爆炸 光線會向四面八方發射 其中一部分射向地球 地球上的科學家也看到了閃光 然而令科學家奇怪的是 又出現另一個閃光 而且一次又一次地看到閃光 科學家們看到在天空中四個部分發生爆炸 更離奇的是 一年後 在天空的另一個完全不同的地方 發生了第五次爆炸 分析證明 這些多重爆炸是同一顆超新星 所以 在這顆垂死的恆星和科學家們的望遠鏡之間 有一個巨大質量的暗物質 一個巨大的引力透鏡 這意味着一些光線將需要更長的時間 更復雜的路徑穿過這個時空區域 暗物質透鏡將一顆超新星 變成一場持續一整年的煙花表演 暗物質對這顆超新星發出光的軌跡影響非常大 以至於其中一些軌跡增加了整整一光年 這也是暗物質存在的有力線索 物質匯聚集成巨大的宇宙網狀結構 星系團可以成長到難以想象的尺度 內部的星系高速運動卻不會被甩出去 而在單個星系中 恆星繞中心旋轉的速度 在遠離中心之後並沒有明顯下降 一直維持在異常偏高的水平 如果宇宙中只存在由質子 中子和電子構成的普通物質 這一切根本不可能發生 除非還有一種我們看不見的物質 計算結果告訴我們 要讓宇宙的結構自洽運轉 必須存在一種數量大約是普通物質五倍的額外物質成分 這就是我們所說的暗物質 而一旦暗物質真的存在 那麼結論就會變得非常直接 我們的銀河系同樣被一個巨大的暗物質雲包圍着 這意味着其中一部分暗物質 正在不斷穿過太陽系穿過地球 甚至此時此刻正穿過你的身體 那麼問題來了 現在在你體內的暗物質究竟有多少? 要理解這一點 我們必須回到宇宙還很年輕的時候 在早期宇宙中 一切都比今天更熱更密集 也更加均勻 但即便如此 仍然存在一些密度略高於平均值的微小區域 在這些地方 物質稍微多了一點點 引力會偏愛這樣的區域 不斷把更多物質拉進去 而輻射壓力則試圖把物質向外推開 如果宇宙中只有普通物質 同時還要承受強烈的輻射影響 那麼今天我們看到的星系和星系團 形態將與現實完全不復 但一旦加入暗物質 而且其數量越爲普通物質的五倍 理論就發生了根本性的改變 在這種條件下 我們可以成功重建出 與觀測結果高度一致的宇宙網狀結構 暗物質存在的一個直接後果是 宇宙中每一個大型結構 比如星系 都會被一個巨大而彌散的暗物質運作包圍 在星系的內部 普通物質會逐漸沉積下來 因爲它們可以相互碰撞 與輻射發生作用 從而損失能量 但暗物質完全不同 它幾乎不與任何東西發生相互作用 不與自己作用 不與普通物質作用 也不與光子作用 它只是悄無聲息地穿過一切 由於只通過引力進行作用 暗物質粒子幾乎沒有辦法 釋放它們最初攜帶的巨大動量 在整個宇宙歷史中 一個暗物質粒子 直到今天 可能也只穿過銀河系中心十幾次而已 在宇宙的宏觀尺度上 暗物質主宰着宇宙 但在我們所在的距離銀河系中心 僅25000光年的地方 普通物質的含量遠高於暗物質 在地球上 在我們所在的太陽系中 這種情況甚至比星際空間更爲嚴重 人體的密度與水相當 每立方米1000千克 暗物質呢 即使基於我們所能構建的最真實的模擬 我們所在區域的暗物質密度 也遠低於普通物質 約爲每立方米時的-21次方千克 如果將地球上所有人類體內的暗物質 在任何某一時刻加起來 其總量也不過一納克 如果把整個太陽系 包括海王星軌道在內的 所有暗物質加起來 總質量也只有大約是的17次方千克 相當於一顆中等大小的小行星的質量 然而 由於它不像普通物質那樣 會發生碰撞相互作用 所以它不會隨太陽系一起運動 它不會繞太陽公轉 隨太陽或其他行星圍繞銀河系中心運動 保持在一個平面內 或隨銀河系盤面旋轉 換句話說 這些物質相對於地球而言 在引力作用下 以相當快的速度運動 如果你想知道在一定時間內 有多少暗物質穿過你的身體 你只需要四個數字相乘即可 它們分別是暗物質的密度 暗物質能夠穿過的人體表面積 暗物質的速度 以及你想要知道答案的時間長度 一旦我們估算出暗物質的密度 我們已經知道 它的值爲時的-21次方千克每立方米 我們就能立即得到答案 一個普通人的體表面積約爲1.7平方米 由於暗物質以隨機角度進入 我們可以快速計算出 暗物質看到的面積約爲0.6平方米 我們的太陽系 以大約200公里每秒的速度 繞銀河系中心運行 但下落的暗物質速度應該更快 接近350公里每秒 總而言之 這意味着相對於地球上的人類 暗物質的運動速度約爲400公里每秒 我們可以計算任意時長 或者一個典型人類的一生 儘管在任何時刻 你體內只有大約10到22公斤的暗物質 但實際上卻有遠超這個量的暗物質 不斷穿過你的身體 每秒鐘 大約有2.5×10的-16次方公斤的暗物質 穿過你的身體 每年 大約有10的-8次方公斤的暗物質 穿過你的身體 而一個人一生中 總共會有不到一毫克的暗物質穿過你的身體 看似微不足道的量 在足夠長的時間裏累積起來 確實相當可觀 這些數字如此龐大 不僅讓我們對自身身體及其組成有所瞭解 也讓我們得以展望未來尋找暗物質的可能 無論暗物質是由質量極低的粒子 還是質量極大的粒子構成 我們都知道有多少暗物質的質量穿過人體 以及任何給定體積的探測器 如果我們假設知道暗物質的質量 我們就可以計算出穿過任何物體的粒子數量 幾十年來 我們一直在建造更大 更靈敏的探測器 試圖探測暗物質與普通物質之間 可能存在的任何微弱相互作用 如今最先進的探測器 使用具有巨大原子核和極大質量的原子 尋找反衝或其他相互作用的跡象 然而迄今爲止 所有直接探測技術都一無所獲 據我們所知 暗物質存在於宇宙的各個方向 它或許肉眼不可見 但我們能感受到它的引力 它穿過宇宙中所有的物質 包括人類 彷彿它們根本不存在 據我們所知 除了它對時空彎曲的影響之外 它不會與其他物質發生碰撞或相互作用 它不會像暗原子或暗分子那樣聚集 形成結構 然而 如果它哪怕只有一絲 與普通物質或輻射發生碰撞的跡象 我們就能探測到它 在你的一生中 大約會有一毫克的暗物質穿過你的身體 即使只有一個暗物質粒子 與你體內的一個質子或電子發生相互作用 我們也有機會探測到它 對於暗物質 宇宙中最深奧的謎團之一 我們很難再奢求更多了 既然暗物質纔是最重要的 那麼暗物質是如何塑造 我們今天所看到的宇宙的呢 要弄清楚這個問題 最好的辦法是回溯到萬物誕生的那一刻 宇宙大爆炸 138億年前 一個溫度無限高 密度無限大的能量點突然爆炸 這個起點就是新生的宇宙 一個無限熱 除了純粹的能量什麼都沒有的點 隨着它的逐漸擴張 並開始冷卻 一些能量凝聚起來形成微小的亞原子粒子 但這些粒子並不是構成你我的質子或電子 而是暗物質的威力 如果暗物質是由奇亞原子粒子組成的 那麼這些粒子很可能是在宇宙大爆炸之後 非常非常早的時間產生的 大爆炸後的瞬間 甚至在普通物質還不存在的時候 暗物質就誕生了 宇宙大爆炸還不到一秒鐘時 它的密度和熱度令人難以置信 在這個有限的空間裏 暗物質粒子緊緊地擠在一起 碰撞就不可避免 這些粒子在相互碰撞時 相互湮滅 並釋放出一股能量和生成一些新的東西 及普通物質的亞原子粒子 並最終構成我們能看到的宇宙的物質 在早期宇宙中 兩個碰撞並湮滅的暗物質粒子產生了一個電子 現在這個電子就是我們身體的一部分 所以從某種程度上說 我們可能實際上是暗物質的孩子 科學家們認爲 是暗物質粒子互相相撞 從而構成了我們今天在宇宙中看到的所有普通物質 這是因爲 科學家們推論暗物質粒子 是一個比質子質量大一百倍的粒子 但與普通物質不同的是 它不與光或其他任何物質相互作用 暗物質的最有可能的身份 是一種叫做若相互作用的大質量粒子 簡稱爲WIMP粒子 這種粒子誕生於宇宙大爆炸中 一直留存至今 之所以WIMP粒子的呼聲最高 是因爲如果把它們的特性 應用到大爆炸的計算機模擬中 最終會生成的宇宙 與我們今天看到的宇宙非常相似 有84%的暗物質 和只有16%的普通物質構成 科學家們得到的數字大致相當於 科學家們在宇宙中推斷的暗物質的數量 如果目前的推論是正確的 那麼宇宙的亞原子組成部分 就是由大質量若相互作用 粒子相互碰撞而形成的 當然暗物質在構建宇宙中 扮演了重要的角色 這個只是科學家們的推論 但暗物質可能回答了宇宙學的一個重大謎團 即在早期宇宙中 充滿的原始氣體是如何聚集在一起 並最終形成第一批恆星的 這個謎團始於宇宙開始爆炸 還不到一秒的時候 它突然爆炸膨脹 在11111分之一秒的時間內 我們的宇宙體積膨脹了 10的90多次方倍 宇宙的體積從單個原子的大小 變成了籃球的那麼大 而時間只是 一秒的一小部分的一小部分的一小部分 關於普朗克秒 事實上 從宇宙大爆炸到現在 所有經歷的秒數 還沒有一秒內的普朗克秒數多 前者是4.3×10的18次方 而一秒內的普朗克秒數 爲1×10的43次方 相比而言 前者簡直是個很小的數字 這種快速膨脹 產生了一個巨大的均勻分佈的粒子 遼闊海洋 這些粒子冷卻後形成氫和氦原子 這些氣體有朝一日 會在萬有引力的作用下 崩塌成爲第一批恆星 但還有個問題 早期宇宙中的氣體分佈太均勻 太平滑 引力不足以拉動某些部分 並觸發氣體區域崩塌和聚集 如果宇宙是完全平滑的 那麼它將是美麗而乏味的 因爲我們看不到任何東西 一地有什麼東西 導致了平滑的氣體海洋崩塌 並形成了第一批恆星 在這裏我們必須要提到兩個理論 海森堡不確定性原理和楊振寧的宇稱部守恆理論 在這兩個理論提出之前 科學家們認爲 宇宙是對稱的 平衡的 即宇稱守恆 當我們看到一輛汽車 一個跑步者 甚至一個宇宙飛船時 我們能計算它們的運動量 但在新生宇宙的微觀量子世界裏 海森堡不確定性原理認爲 不存在這種確定性 沒有什麼東西有明確的動量或位置 宇稱部守恆用實驗更加充分地證明了不對稱 由於沒有任何東西被鎖定在固定的位置 在膨脹的宇宙中 可能會出現波動或溝槽 當宇宙迅速膨脹時 這些波動會在某些地方固定 於是就會形成緻密的點 圍繞這些點的氣體雲就可能會崩塌 就像形成恆星的引力種子一樣 幸運的是 這些微小的種子波動就像一種宇宙DNA 決定着結構層在哪裏 什麼時候以及如何成長爲恆星 行星和我們在當今世界看到的 所有其他令人敬畏的結構 雖然海森堡不確定性原理和宇稱部守恆理論 只是用於量子力學中的微小事物 但最終卻決定了我們所知的宇宙中最大的結構 所以真的要感謝海森堡和楊振寧 現在科學家們似乎解開了宇宙結構演變的謎團 但還是有一個問題 如果計算一下就會發現 僅僅只是氣體的質量 並不能產生足夠的引力來創造 我們今天在宇宙中看到的所有恆星 一定是別的什麼東西給坍塌的氣體雲增加了質量 這種東西有可能是暗物質嗎? 科學家們認爲 如果只有正常物質 那麼結果就是 事情的發展不可能這麼快 宇宙就不會形成現在的結構 科學家們刻意計算出自宇宙誕生以來 沒有足夠的時間讓正常物質崩塌形成星系 恆星 行星和人類 許多科學家現在認爲 加速恆星形成的額外推動力 就是看不見的暗物質的引力 儘管暗物質和正常物質不能直接相互作用 但它們確實通過引力相互作用 這對我們的存在至關重要 如果把暗物質放進去 一切就都順理成章了 這樣我們的宇宙就會運轉得很好了 隨着早期宇宙的膨脹 溫度逐漸降低 這裏是氫氣和氦氣的海洋 周圍還有很多暗物質 它們聚集在膨脹宇宙的起伏火凹槽中 形成了強引力區域 這就是爲什麼暗物質在創造我們今天生活着的 這個更有趣的宇宙的過程中起着至關重要的作用 這些暗物質團的引力牽引着氫和氦元素 並聚集成巨大的雲團 雲團就變得越來越緊密 直到它們引發核聚變 我們宇宙中的第一批恆星由此誕生 這都要感謝暗物質 暗物質是形成恆星、黑洞、行星的最初動力 但當天文學家回望早期宇宙時 他們發現這些恆星並不孤單存在的 它們的周圍都存在着一個怪物 超大質量黑洞 一個真正的謎團就是 爲什麼我們在極早期宇宙能看到一些超大質量黑洞 從大爆炸到科學家們研究這些天體存在的時期 真的沒有足夠的時間讓它們長到這麼大 超大質量黑洞是早期宇宙的重量級黑洞 有些黑洞的質量甚至是太陽的120億倍 它們是如何這樣迅速地變得如此巨大的 這一直是宇宙學中最大的謎團之一 一些科學家認爲 這些早期黑洞的起源 可能是由一個叫做暗星的奇怪巨星形成的 暗星將是宇宙中最早形成的恆星 它們形成於宇宙誕生僅僅大約兩億年前的時間 這些都是古老的天體 所以它們是由普通物質構成的 主要成分是氫氣和氦氣 但它們是由暗物質驅動的 當這些巨大的早期恆星在早期宇宙中形成時 它們巨大的引力將暗物質粒子拖入核心 這些粒子相互撞擊時放出能量 每當它們相遇 它們就會湮滅並變成別的東西 這意味着釋放了大量的熱量和能量 正是這種能量可以爲恆星提供動力 所以有可能在一些恆星中 它們的內部反應實際上是由暗物質驅動的 即暗物質的湮滅提供了能量並保持這些恆星的發光 萬分之一的暗物質就可以爲一顆巨大的恆星提供能量 暗物質湮滅產生的能量 使暗星變得超級巨大 這些早期的物體真的很奇怪 它們溫度很低 但體型真的很大 它們的尺寸可能是地球到太陽距離的十倍 但是當內部的暗物質燃料耗盡時 這些巨大的恆星已經沒有任何東西可以支撐它們了 於是就會崩塌 如果它足夠大 就會直接坍塌成一個黑洞 因爲這顆坍塌的恆星非常巨大 所以它形成的新黑洞也是超大質量的 暗物質在宇宙早期扮演了非常重要的角色 那麼現在宇宙中又扮演什麼角色呢? 令人遺憾的是 雖然在過去的五十年裏 科學家們對暗物質有了這些研究 但他們仍然不知道暗物質到底是什麼 因爲科學家們無法測量它們 也看不見或感覺不到的它們 科學家們可以確定 它不會與光相互作用 它不發光也不反光 所以如果你用激光束照射暗物質 激光束就會直接穿過 不會有任何反應 到目前爲止 暗物質只是一種理論猜想 儘管有時候 科學家的想法會像黑洞一樣變成現實 因爲黑洞曾是科幻小說和科學家們的噩夢 如今已被證實爲現實 而現在科學家們發現 黑洞和暗物質有很多相似之處 首先都是一個看不見的物質集合 創造了一個巨大的引力場 相同 然後都會使光線彎曲併產生引力透鏡效應 相同 都是已知物理學的邊緣 還是相同 那麼暗物質是黑洞嗎? 當大質量橫行爆炸時 黑洞就出現了 它們剩餘的質量會壓縮成一個密度極高的球體 連光都無法逃脫它的引力 但這正是黑洞和暗物質理論的不足之處 科學家們知道黑洞的存在 他們知道它們是如何形成的 他們也知道它們的數量遠遠不夠成爲暗物質 在宇宙的歷史上 沒有足夠多的恆星通過生存和死亡 來創造宇宙中85%的物質 如果暗物質是由黑洞組成的 那麼它們一定是一種全新的物質 有可能這些黑洞是我們從未見過的類型 它們可能是原始黑洞 原始黑洞是一種想法 這是一個我們從未見過的概念理論 但它們有可能存在 如果原始黑洞是真實存在的 那麼宇宙中充滿了黑洞 最小的黑洞可以將F火山的質量壓縮到一個原子的大小 最大的可能是太陽質量的幾十萬甚至幾百萬倍 實地分 霍金在20世紀70年代首次提出原始黑洞可能是暗物質 這個理論的中心思想是在138億年前那個無形的時刻 宇宙大爆炸 發生了什麼 理論認爲 原始黑洞形成於早期宇宙的開頭幾分之一秒 這是宇宙從一個針孔到巨大的膨脹氣體球之間的事件 在宇宙存在的最初時刻 物質被緊密地包裹着 但分佈並不均勻 即使是密度上最微小的波動都可能引發引力坍縮 換句話說 理論上黑洞到處都在形成 而且數量巨大 在我們的宇宙中 一秒鐘過後就已經產生了質量比太陽大成千上萬倍的黑洞 這些物體的總質量可能非常大 但它們有可能是宇宙物質的85%嗎 如果原始黑洞確實存在那就足以解釋暗物質了 這是一個誘人的可能性 但有一個相當大的問題 對大多數科學家來說 宇宙早期的物理是不完整的 所以很難讓人信服 一代又一代的物理學家將原始黑洞斥爲神話 幻想天體物理學中的獨角獸 2019年5月一場劇烈的宇宙事件震撼了美國 路易斯安那州和華盛頓州之間 一個物理距離幾乎是一個原子的寬度的事件 卻是震撼人心的大事 激光干涉引力波觀測 以簡稱LIGO探測到這種時空擺動 這種宇宙擾動似乎來自於黑洞的碰撞 但關鍵不是普通的死亡恆星類型 在LIGO的探測中 其中一個黑洞的質量是太陽的85倍 一顆恆星不可能形成這樣的黑洞 物理學家認爲 在一定質量範圍內垂死的恆星不會坍縮成黑洞 相反 這個區域的恆星變得異常熱 會撕裂自己 它們無法壓縮成黑洞 85倍太陽質量正好位於這個所謂的禁止質量範圍的中間 LIGO探測到的黑洞不可能是死亡恆星 理論上它可能是原始的黑洞 原始黑洞非常吸引人 因爲它們可以解決暗物質問題 但不幸的是 事情沒那麼簡單 如果在宇宙中充斥着原始黑洞 那麼問題是應該會發生很多碰撞 所以LIGO應該不止觀測到一次 而是應該觀測到上千次這樣的碰撞 但科學家們沒有觀測到這一現象 許多科學家懷疑LIGO觀測到的是原始黑洞 對於他們來說這些龐然大物質只是物理學上的童話故事 只是轉移人們對暗物質存在的可靠證據的注意力 暗物質存在嗎? 還是科學家們只是在追蹤影子? 一些科學家認爲這不僅是真實的 而且暗物質就在我們的掌握之中 而且它現在正在我們的身體中穿梭 然而 我們從來沒有發現它 哪怕是一丁點 科學家們目前無法證明暗物質的存在 但根據理論 若相互作用大質量粒子會自我湮滅 WIMP和WIMP必靠得太近 它們就會爆炸 併產生伽馬射線 伽馬射線是高能量的光 很容易被發現 於是 科學家們把他們的探測器對準了銀河系的中心 他們認爲在那裏WIMP的碰撞率應該特別高 因爲那裏有個四百萬個太陽質量的黑洞 那裏有數十億顆恆星 那裏是星系密度最大的地方 所以任何繞星系運行的WIMP都會感受到 這種對中心的自然引力 並向中心墜落 費米伽馬射線太空望遠鏡 對銀河系中心進行了十多年的探測 它探測到了大量的伽馬射線 但科學家無法確定這些射線 是否來自於相互碰撞的WIMP 銀河系中心一片混亂 那裏有恆星爆炸 大量的恆星、氣體、磁場、黑洞 大量的伽馬射線源 所以很難分辨出信號 銀河系的中心是一個災難區 因此 科學家們將注意力轉向了 生活在噪聲較小的星系區域的行星 在那裏WIMP碰撞應該更容易被發現 可能會在一個地方看到WIMP碰撞的證據 那就是系外行星的核心 事實證明 系外行星可能是科學家們最好的暗物質探測地 可以利用圍繞遙遠恆星運行的巨大行星 作爲實驗室來了解暗物質 由於引力會吸引WIMP 引力越大 聚集在一起的暗物質粒子就越多 在這些超大的氣體巨行星中WIMP可以碰撞 湮滅並釋放出伽馬射線 如果這些WIMP正在聚集系外行星的質量中心 那麼暗物質的湮滅就會使這些系外行星升溫 如果有紅外望遠鏡 就能看到紅外線 如果有足夠的敏感度 就能夠測量這些物體的溫度 但像這樣的專用望遠鏡要到2028年才能發射 對於一些暗物質探測者來說 等待太久了 他們認爲WIMP確實有一個特徵 可以讓我們在地球上探測到它們 即它們勢弱相互作用 並不是沒有相互作用 它們確實相互作用 只是與物質的作用很弱 這意味着在極少數情況下 它會撞到正常物質的粒子 然後我們就可以觀察到一些影響 在意大利中部的格蘭薩索 科學家們正在觀察WIMP撞擊正常物質原子時產生的能量火花 它們的探測器是一箱超級冷卻的氙氣 建在地表下幾千英尺的地方 把探測器放在山下的好處是 周圍所有的岩石和土壤 以及其他東西能阻擋很多背景噪音 當你在尋找WIMP交互時 是在尋找一些非常罕見的東西 一些非常微妙的東西 所以不希望有其他東西發生 不希望其他粒子進來破壞你的實驗 這些若相互作用的大質量粒子會穿過這座山 然後如果它們撞到先原子上 我們可以看到它 探測到WIMP可能是暗物質存在的決定性證據 2020年 科學家們在研究結果中發現了一些東西 科學家可以看到整個液態纖 在亞原子碰撞中發生了一點點震動 粒子碰撞產生的震動強度是至關重要的 理論上WIMP撞擊先原子應該會產生強大的衝擊 但實驗檢測到的震動太弱了 當WIMP通過時 它會撞向原子 而現在就好像有什麼東西在震動原子外面的電子 所以不管是什麼導致了這些探測結果 都可能是比WIMP小得多的東西 從表面上我們看這些實驗結果 如果它們是正確的 這就告訴我們暗物質不是WIMP 而是更小更輕的物質 結果表明 撞擊液態纖的實際上是一種更小的理論粒子 稱爲軸子 軸子是一種非常奇怪的粒子 非常輕 事實上 軸子的質量幾乎爲零 一個軸子的大小不超過一個電子的1500億分之一 與WIMP相比 軸子就像足球與我們的太陽相比 軸子純粹的尺狀結構 讓它們看起來不太可能是暗物質的候選者 如果軸子就是暗物質 它佔了宇宙中物質的85% 那麼軸子數量將達到幾乎不可思議的量 142 Trigintillion Trigintillion是英語的大數單位 一個Trigintillion就是一後面93個零 所以 爲了證明暗物質的存在 也許科學家們應該尋找暗物質形成的恆星 它們沒有理由不存在 它們甚至還有個名字叫幽靈星 這些幽靈星與我們在夜空中看到的任何東西都不一樣 科學家們從未見過幽靈星 它們是理論上的東西 應該像其他恆星一樣由引力拉在一起形成 它們將是巨大的密度極高的物體 漂浮在太空中 它們的質量可以達到數千萬個太陽的質量 但由於它們是由暗物質構成的 所以幽靈星不會產生能量也不會發出光 它們對光和物質都是透明的 如果你就在它旁邊 你根本不會注意到它 如果我們發射探測器 就會穿過它 不過一旦它穿過 就會被它的引力拉回來 宇宙中85%的物質可能是由極小的暗物質粒子組成的透明球體 但這些看不見的恆星存在嗎? 證據不足 這是科學家們又想起了2019年LIGO的探測 引力波探測器捕捉到兩個大質量物體碰撞的信號 科學家們稱該事件爲GW190521 大多數科學家認爲這是一次黑洞碰撞 但它會是碰撞的幽靈星嗎? 如果那裏有幽靈星 而且它們可以通過引力相互作用 那麼它們就可能會發生碰撞 當它們這樣做時 它們會發射引力波 而這看起來很像兩個黑洞碰撞 理論上像GW190521的一次碰撞 它看起來有兩種解釋 原始黑洞或幽靈星 但LIGO無法區分它們 這些想法會讓科學家更接近證明暗物質的存在嗎? 或者科學家只是在一個奇怪物理的兔子洞裏飛得更遠? 暗物質的確是個非常大的謎團 科學家知道它就在那裏 也看到了它的影響 但就是抓不住它 雖然科學家有想法 有理論 但沒有直接的觀察 科學家就是無法用堅實的證據來證實它們 也許暗物質根本不存在 科學家們尋找的通過引力 影響着宇宙的一種無形的物質根本不存在 也許只是科學家還不太瞭解引力 如果一個星系旋轉得太快了 要麼是星系中有一種新的成分 比如暗物質 把它聯繫在一起 或者科學家們已經誤解了物理定律 爲了描述引力的影響 科學家們使用了艾薩克 牛頓有近350年曆史的數學 爲了解釋在宇宙中看到的多餘引力 也許科學家們需要的不是額外的物質 而是更好的數學 雖然科學家們很清楚 在地球和太陽系引力是如何運作的 也許當達到星系尺度時 它的行爲就會略有不同 如果是這樣的話 可以稍微調整一下這個想法 直到它符合科學家們所看到的 不需要暗物質的星系旋轉的數據 質疑一個物理學傳奇的數學 可能聽起來像是褻瀆神靈 但爲了解決暗物質之謎 科學家們已經這麼做了 它被稱爲修正牛頓動力學 簡稱MOND 用這種數學方法模擬星系 會得到非常不同的結果 從表面上看 MOND是個不錯的主意 就像科學家們通常會給計算機編程 把暗物質包裹在計算機模擬中一樣 科學家們用另一個引力定律MOND來編程 然後建立一種有質量的旋轉器體 通過MOND似乎可以讓事情穩定下來 看起來有點像一個真正的星系 改變萬有引力定律精確地 再現了天文學家通過望遠鏡看到的超高速旋轉 不需要暗物質 它不存在 那麼這樣是否就解決了暗物質問題呢? 絕對不是 對於任何比星系大的物體 這種人造物理就會失效 MOND在星系尺度上表現得很好 但是當把它放大到宇宙中越來越大的結構中 比如星系團非常大的結構 就會發現MOND本身並不能複製科學家們所有的觀測結果 好像缺了點什麼 很遺憾還是繞不開暗物質 在MOND中仍然需要引用你看不見的物質 這在某種程度上否定了MOND的意義 MOND不能取代暗物質 宇宙仍然需要一些東西來維繫它 科學家們只是不理解它是什麼 好吧 暗物質還是暗的 還是一個謎團 所以這個視頻基本上是白看了 抱歉浪費大家時間了