星系对撞背后的真相:暗物质到底是什么?

2015-04-01 16:33:33   来源:新浪科技   

  当星系团对撞的时候,它们的暗物质会互相穿过,彼此几乎互不影响。瑞士洛桑联邦理工学院和爱丁堡大学的科学家挑战了暗物质是由粒子构成的这一说法,让暗物质这个谜变得更加高深莫测。

暗物质到底是什么?

  暗物质是最大的科学谜题之一。宇宙中的大量物质都是暗物质,它们是看不见的,也和我们所感受到的任何东西都不一样。关于暗物质有很多理论,但是没有一 个能一统江湖。在瑞士洛桑联邦理工学院和爱丁堡大学进行的一项合作研究中,科学家考察了在长达几十亿年的时间里,在星系团的相互碰撞中,暗物质的行为模式 是什么样的。

  虽然宇宙中90%以上的物质都是暗物质,宇宙中四分之一以上的能量来源于暗物质,但是我们对于暗物质知之甚少。天文学家所持的一个主流观点是,暗物质是由一种我们还没有发现的新型次原子粒子构成的。还有更异乎寻常的理论认为,暗物质是一种量子亏损,是异次元的质量,甚至是引力的一种变形。

  暗物质会影响什么?

  我们确切知道的是,暗物质会通过引力与宇宙结构相互影响,会改变宇宙结构的形态。例如,暗物质会使穿过它们的光发生弯曲,使远距离空间物体的形象发生扭曲。而且,暗物质会加速星系团中星系的移动。星系团是几百个星系的集合,其中包含的恒星、行星和气体数量是真正的天文数字。星系团中也有90%的物质是 暗物质,所以是理想的研究对象,特别是星系团相互碰撞而导致它们中的暗物质发生互动的时候。

  瑞士洛桑联邦理工学院的David Harvey研究了星系团的碰撞,发现了关于暗物质的性质的若干线索。他和他的同事一共研究了72个星系团碰撞的数据。这些宇宙大碰撞发生在长达几十亿年 的时间里,是星系团因为其自身的庞大质量相互吸引而发生的。当星系团发生碰撞时,每个星系团中的暗物质都会与另一个星系团中的暗物质发生互动,为我们提供 了研究暗物质的独特机会。

  Harvey的数据来自于Chandra X射线太空望远镜和哈勃望远镜,其中也包括著名的子弹星系团大碰撞,这次特殊的碰撞实际上是目前掌握的证明暗物质存在的最好证据。

  星系团碰撞告诉我们什么?

  研究人员分析了这些碰撞的数据,衡量了当另个星系团碰撞时其中暗物质的动量的变化。在地球上的实验告诉我们,当次原子粒子互动时,它们会交换动量。因此,根据碰撞后暗物质动量的变化,研究者就可以了解它们的性质。

  为了验证暗物质是由粒子构成的这个理论,研究设想了两种可能出现的情境:

  一种情境是暗物质频繁互动,但是几乎不交换动量;
 

  另一种情境是暗物质之间的互动极少,但是会交换大量的动量。

  在第一种情况下,暗物质在碰撞后速度会慢下来,因为频繁的粒子互动会导致额外的“阻碍”。

  在第二种情况下,暗物质会四处分散,并最终消失在空间里。

  令人惊讶的是,研究发现,星系团中的暗物质的碰撞时只是互相穿过。这意味着暗物质粒子之间并没有发生互动,从而也没有因此放慢速度。相反,虽然暗物质似乎会与可见物质发生非引力性的互动,但是它们彼此之间却不会互动。

  更重要的是,这项研究挑战了暗物质是由像质子这样的粒子,或任何粒子,构成的这个观点。“我们现在认为,‘两个暗物质粒子’发生互动的可能,小于两个 质子发生互动的可能。这意味着暗物质不可能是由‘暗质子’构成的,”David Harvey说。“如果暗物质是由暗质子构成的,我们就会看到它们互相发生撞击。”

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