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科学界议论纷纷:暗物质是热的?不是冷的?暗物质再次被质疑!

2019-08-28 点击:1528
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14: 03: 54 superstring

自20世纪60年代“广义相对论的黄金时代”以来,科学家一直认为,宇宙的大部分都是由一种叫做“暗物质”的神秘无形物质组成的。从那以后,科学家们试图用新方法解决这个谜团。

一方面,天体物理学家试图找到一个候选粒子来解释这种质量。另一方面,天体物理学家试图找到解释暗物质行为的理论基础。到目前为止,科学家争论的焦点是暗物质是“热”还是“冷”。大多数科学家认为暗物质更接近寒冷,因为冷却会使粒子的运动相对简单。然而,由哈佛 - 史密森天体物理中心(CfA)领导的一项新研究质疑暗物质实际上可能是“温暖”还是“冷”的观点。

据了解,该研究是基于使用包括相互作用的暗物质的宇宙学模型形成的星系的宇宙学模拟。模拟由CfA,麻省理工学院天体物理与空间研究所,莱布尼茨天体物理研究所,波茨坦和几所大学的国际研究小组进行。

神秘的暗物质

至于暗物质,首先,科学家认为它占宇宙质量的84%,既不会照亮也不会吸收或反射光或任何其他已知形式的辐射。其次,它没有电磁荷,除了重力(四种基本力中最弱的)之外,它不与其他物质相互作用。而且,它不是由原子或它们的通常成分(即电子,质子和中子)组成,它们创造了它的神秘本质。因此,科学家在理论上推断它必须由符合宇宙定律的新物质组成,但不会出现在传统的粒子物理研究中。

无论暗物质的真实本质如何,它对大爆炸后10亿年以来的宇宙演化产生了深远的影响。事实上,科学家认为暗物质在从星系形成到宇宙微波背景辐射(CMB)分布的各个方面起着关键作用。

更重要的是,考虑到暗物质作用的宇宙学模型得到了对这两种不同宇宙结构的观察的支持。此外,它们与宇宙学参数一致,例如宇宙膨胀的速度,宇宙本身的膨胀受到神秘的不可见力(称为“暗能量”)的影响。

冷暗物质?

目前,最广泛接受的暗物质模型假设暗物质不与任何其他物质或辐射(包括暗物质本身)相互作用,即暗物质是“冷的”。这就是所谓的冷暗物质(CDM)场景,它通常与LCDM宇宙学模型形式的暗能量理论(由Lambda表示)相结合。

这种暗物质的理论形式也被称为非相互作用,因为除了最弱的基本力之外,暗物质不能以任何其他方式与正常物质相互作用。在对宇宙演化进行数值模拟后,冷暗物质方案变得更加可接受。因为这些模拟显示暗物质预测的分布与今天的宇宙完全不同。出于这个原因,人们开始考虑另一个限制,即出生时几乎没有速度的粒子,即“冷”。

在进行了与以前相同的星系聚类测试之后,天文学家发现模拟的宇宙与观测到的宇宙非常一致。在接下来的几十年里,冷颗粒通过了比简单的星系团更严格和重要的测试,并且它通常通过这些测试具有优异的性能。

另一个吸引力是冷暗物质(至少在理论上)应该可以直接或间接检测到。然而,这是CDM遇到麻烦的地方,因为到目前为止所有检测单个粒子的尝试都失败了。因此,宇宙学家已经开始考虑其他可能的候选者,他们与其他物质的相互作用甚至更小。

热的暗物质?

这也是CfA天文学家Sownak Bose及其研究小组试图确定的事实。为了继续研究,研究小组专注于“温暖”的暗物质候选物,即热暗物质(HDM)。这种类型的粒子能够巧妙地与接近光速的非常轻的粒子相互作用。特别是,它可以与中微子相互作用,中微子是HDM解决方案的最佳候选者。中微子被认为在早期的热宇宙中非常普遍,因此相互作用的暗物质的存在将产生强大的影响。

“在这种类型的模型中,暗物质粒子可以与光子或中微子的有限(但较弱)相互作用相互作用,”Boss博士说。 “这种耦合在早期宇宙的'块状'中留下了一个相当独特的印记,这与暗物质是冷粒子时的预期完全不同。”

为了测试这一点,研究小组在哈佛大学和冰岛大学的超级计算机构进行了最先进的宇宙学模拟。这些模拟考虑了在大爆炸之后,热物质和暗物质的存在将如何影响星系从10亿年到140亿年的形成。 Boss博士说:通过运行计算机模拟来实现140亿年的进化后宇宙可能会是什么样子。除了模拟暗物质成分外,我们还提供最先进的星形成处方,超新星和黑洞的影响以及金属的形成。

然后,团队将结果相互比较,以确定区分这两者的特征。结果,他们发现在许多模拟实验中,这种相互作用的暗物质的影响太小而根本无法被发现,并且它们以一些独特的方式存在。科学家们很高兴地说这一发现特别有趣,因为它可以在未来使用下一代仪器进行测试。这样做的方法是通过观察氢的分布来观察早期宇宙的块结构。观察到,这是一种成熟的技术。我们可以通过观察遥远星系的光谱来探测早期宇宙的中性。氢分布。

简而言之,从遥远的星系袭击我们的光必须穿过星系际介质。如果中间介质中存在大量中性氢,则星系的发射线将被部分吸收,如果中间介质中的中性氢很少,则发射线将畅通无阻。如果暗物质确实是冷的,它将以“块状”氢分布的形式出现,并且波分复用方案将导致振荡的块状分布。

目前,天文仪器尚未测量早期宇宙中氢振荡所需的分辨率。但正如Boss博士指出的那样,这项研究可能会为可以进行这些观察的新实验和新设备提供动力。

无论如何,科学是这样的,做出预测,提出测试方法,进行实验,然后纠正或排除理论。虽然我们离暗物质很远,但时间会给我们一个答案!

自20世纪60年代“广义相对论的黄金时代”以来,科学家一直认为,宇宙的大部分都是由一种叫做“暗物质”的神秘无形物质组成的。从那以后,科学家们试图用新方法解决这个谜团。

一方面,天体物理学家试图找到一个候选粒子来解释这种质量。另一方面,天体物理学家试图找到解释暗物质行为的理论基础。到目前为止,科学家争论的焦点是暗物质是“热”还是“冷”。大多数科学家认为暗物质更接近寒冷,因为冷却会使粒子的运动相对简单。然而,由哈佛 - 史密森天体物理中心(CfA)领导的一项新研究质疑暗物质实际上可能是“温暖”还是“冷”的观点。

据了解,该研究是基于使用包括相互作用的暗物质的宇宙学模型形成的星系的宇宙学模拟。模拟由CfA,麻省理工学院天体物理与空间研究所,莱布尼茨天体物理研究所,波茨坦和几所大学的国际研究小组进行。

神秘的暗物质

至于暗物质,首先,科学家认为它占宇宙质量的84%,既不会照亮也不会吸收或反射光或任何其他已知形式的辐射。其次,它没有电磁荷,除了重力(四种基本力中最弱的)之外,它不与其他物质相互作用。而且,它不是由原子或它们的通常成分(即电子,质子和中子)组成,它们创造了它的神秘本质。因此,科学家在理论上推断它必须由符合宇宙定律的新物质组成,但不会出现在传统的粒子物理研究中。

无论暗物质的真实本质如何,它对大爆炸后10亿年以来的宇宙演化产生了深远的影响。事实上,科学家认为暗物质在从星系形成到宇宙微波背景辐射(CMB)分布的各个方面起着关键作用。

更重要的是,考虑到暗物质作用的宇宙学模型得到了对这两种不同宇宙结构的观察的支持。此外,它们与宇宙学参数一致,例如宇宙膨胀的速度,宇宙本身的膨胀受到神秘的不可见力(称为“暗能量”)的影响。

冷暗物质?

目前,最广泛接受的暗物质模型假设暗物质不与任何其他物质或辐射(包括暗物质本身)相互作用,即暗物质是“冷的”。这就是所谓的冷暗物质(CDM)场景,它通常与LCDM宇宙学模型形式的暗能量理论(由Lambda表示)相结合。

这种暗物质的理论形式也被称为非相互作用,因为除了最弱的基本力之外,暗物质不能以任何其他方式与正常物质相互作用。在对宇宙演化进行数值模拟后,冷暗物质方案变得更加可接受。因为这些模拟显示暗物质预测的分布与今天的宇宙完全不同。出于这个原因,人们开始考虑另一个限制,即出生时几乎没有速度的粒子,即“冷”。

在进行了与以前相同的星系聚类测试之后,天文学家发现模拟的宇宙与观测到的宇宙非常一致。在接下来的几十年里,冷颗粒通过了比简单的星系团更严格和重要的测试,并且它通常通过这些测试具有优异的性能。

另一个吸引力是冷暗物质(至少在理论上)应该可以直接或间接检测到。然而,这是CDM遇到麻烦的地方,因为到目前为止所有检测单个粒子的尝试都失败了。因此,宇宙学家已经开始考虑其他可能的候选者,他们与其他物质的相互作用甚至更小。

热的暗物质?

这也是CfA天文学家Sownak Bose及其研究小组试图确定的事实。为了继续研究,研究小组专注于“温暖”的暗物质候选物,即热暗物质(HDM)。这种类型的粒子能够巧妙地与接近光速的非常轻的粒子相互作用。特别是,它可以与中微子相互作用,中微子是HDM解决方案的最佳候选者。中微子被认为在早期的热宇宙中非常普遍,因此相互作用的暗物质的存在将产生强大的影响。

“在这种类型的模型中,暗物质粒子可以与光子或中微子的有限(但较弱)相互作用相互作用,”Boss博士说。 “这种耦合在早期宇宙的'块状'中留下了一个相当独特的印记,这与暗物质是冷粒子时的预期完全不同。”

为了测试这一点,研究小组在哈佛大学和冰岛大学的超级计算机构进行了最先进的宇宙学模拟。这些模拟考虑了在大爆炸之后,热物质和暗物质的存在将如何影响星系从10亿年到140亿年的形成。 Boss博士说:通过运行计算机模拟来实现140亿年的进化后宇宙可能会是什么样子。除了模拟暗物质成分外,我们还提供最先进的星形成处方,超新星和黑洞的影响以及金属的形成。

然后,团队将结果相互比较,以确定区分这两者的特征。结果,他们发现在许多模拟实验中,这种相互作用的暗物质的影响太小而根本无法被发现,并且它们以一些独特的方式存在。科学家们很高兴地说这一发现特别有趣,因为它可以在未来使用下一代仪器进行测试。这样做的方法是通过观察氢的分布来观察早期宇宙的块结构。观察到,这是一种成熟的技术。我们可以通过观察遥远星系的光谱来探测早期宇宙的中性。氢分布。

简而言之,从遥远的星系袭击我们的光必须穿过星系际介质。如果中间介质中存在大量中性氢,则星系的发射线将被部分吸收,如果中间介质中的中性氢很少,则发射线将畅通无阻。如果暗物质确实是冷的,它将以“块状”氢分布的形式出现,并且波分复用方案将导致振荡的块状分布。

目前,天文仪器尚未测量早期宇宙中氢振荡所需的分辨率。但正如Boss博士指出的那样,这项研究可能会为可以进行这些观察的新实验和新设备提供动力。

无论如何,科学是这样的,做出预测,提出测试方法,进行实验,然后纠正或排除理论。虽然我们离暗物质很远,但时间会给我们一个答案!

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