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        暗物質(zhì)是“冷的”還是“熱的”

        2020-12-21 03:57:52
        奇聞怪事 2020年11期
        關(guān)鍵詞:巡天網(wǎng)眼中微子

        據(jù)估計(jì),宇宙中占物質(zhì)總質(zhì)量84%以上的是一種神秘的物質(zhì),叫暗物質(zhì)。由于暗物質(zhì)幾乎不與普通物質(zhì)發(fā)生作用,所以很難探測組成它的粒子是什么。最近幾年,天文學(xué)家捕捉暗物質(zhì)粒子的結(jié)果都是“竹籃打水,一場空”。但是,即便在這種情況下,科學(xué)家也已經(jīng)解決了關(guān)于暗物質(zhì)是“冷”是“熱”的問題。那么,在不見實(shí)物粒子,幾乎對它的性質(zhì)一無所知的情況下,他們是怎么解決這一問題的呢?

        宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

        上世紀(jì)下半葉,宇宙學(xué)研究進(jìn)入到一個前所未有的發(fā)展階段。一方面,大爆炸宇宙學(xué)逐漸成為主流,借助廣義相對論,理論學(xué)家開始建立關(guān)于宇宙演化的理論。另一方面,人們對于銀河系附近宇宙的探測還留有極大的空白。我們附近的宇宙是什么樣子,沒有人能夠說清楚。

        1977年,美國哈佛-史密森天文中心的科學(xué)家計(jì)劃進(jìn)行一次雄心勃勃的星系巡天,稱為CFA巡天計(jì)劃。這個項(xiàng)目計(jì)劃對全天2400個星系離開我們的距離進(jìn)行精確測量。第一期巡天在1982年完成,觀測到的星系中最暗的是人類肉眼極限的兩千分之一。將這些星系畫在一張圖上,人們就可以粗略地畫出宇宙的一個三維“地圖”,兩個維度代表星系在天空中的位置,第三個維度則代表它們離開我們的距離。

        在過去的研究中,因?yàn)椴恢佬窍档木嚯x,人們習(xí)慣將觀測到的星系位置畫在二維的天球坐標(biāo)系中。也就是說,過去人們看到的星系,實(shí)際上只是它們在二維球面上的投影。在這樣的圖中,星系分布看起來沒有什么特別的規(guī)律,似乎分布非常均勻,這倒跟當(dāng)時一個所謂的“宇宙學(xué)原理”頗為吻合。宇宙學(xué)原理說,宇宙物質(zhì)從大尺度來看,應(yīng)該是均勻的。CFA巡天則讓宇宙學(xué)家可以在更加真實(shí)的情況下,檢驗(yàn)宇宙學(xué)原理的有效性。

        結(jié)果大出乎意料。在這張粗糙的宇宙三維地圖上,星系分布就像一張不規(guī)則的漁網(wǎng)。它們的分布并非均勻,而是很明顯地聚集“網(wǎng)絲”上,“網(wǎng)絲”又似乎附著在“網(wǎng)眼”上。在幾條“網(wǎng)絲”相交的點(diǎn)上,星系尤其密集,而在“網(wǎng)眼”所在的巨大空洞中,星系幾乎寥寥無幾。

        暗物質(zhì)是“冷”還是“熱”?

        如何解釋這一切呢?按照大爆炸理論,宇宙早期溫度極高,密度極大,物質(zhì)分布高度均勻?,F(xiàn)在所展現(xiàn)出來的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),必定是演化來的,而在宇宙這個層次上,主要是引力在起作用,所以演化又必定是由引力推動的。

        那時,人們已經(jīng)意識到,主導(dǎo)宇宙結(jié)構(gòu)形成的并不是可見物質(zhì),因?yàn)檫@部分物質(zhì)所占比例很小,有超過84%的物質(zhì)都是不可見的暗物質(zhì)。這意味著,宇宙的這種網(wǎng)狀大尺度結(jié)構(gòu),必須考慮暗物質(zhì)的作用才能解釋。

        巧合的是,1970年代隨著大統(tǒng)一理論的建立,粒子物理學(xué)們意識到,理論上中微子是可以具有質(zhì)量的。而當(dāng)時的一系列實(shí)驗(yàn)測量顯示,中微子的靜止質(zhì)量可能在30電子伏特左右。這些測量雖然在今天看來是不可靠的,在當(dāng)時卻使得中微子成為暗物質(zhì)最可能的候選者。在大家眼里,雖然單個的中微子質(zhì)量極小,但因?yàn)閿?shù)量多得驚人,它們在宇宙物質(zhì)中的“份額”占大頭,也并非不可能。由于中微子運(yùn)動速度極快,幾乎接近光速,因此它被稱作“熱暗物質(zhì)”。與此相對的,理論學(xué)家也提出數(shù)種“冷暗物質(zhì)”的候選者。相比熱暗物質(zhì),冷暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量要大得多,在宇宙早期的速度非常低。——這里的“冷”“熱”借用了熱力學(xué)上的說法,因?yàn)楦鶕?jù)分子運(yùn)動論,組成氣體的分子平均速度越大,氣體溫度就越高,反之,則越冷。

        暗物質(zhì)是“冷”還是“熱”,對宇宙演化的影響是不一樣的。雖然不論“冷”還是“熱”,暗物質(zhì)都會在引力作用下聚集成團(tuán),但暗物質(zhì)粒子運(yùn)動速度越快,顯然越不容易受引力“束縛”,也就越不容易聚集,這就影響到宇宙結(jié)構(gòu)的形成。

        在熱暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中,首先形成的是巨大的薄餅狀結(jié)構(gòu),緊接著的是巨大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。薄餅狀結(jié)構(gòu)在引力作用下繼續(xù)坍縮,其結(jié)構(gòu)會變得不穩(wěn)定,從而碎裂成更小尺度的結(jié)構(gòu),例如星系。而在冷暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中,首先形成的是小的團(tuán)塊,如星系。不同的團(tuán)塊通過合并逐漸長大,最后形成大尺度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

        概而言之,在熱暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中,先形成“巨網(wǎng)”,再形成單個星系;在冷暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中,先形成星系,再形成“巨網(wǎng)”。

        爭論塵埃落定

        哪一種暗物質(zhì)模型與今天觀測到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)更符合呢?這就需要實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。由于宇宙的演化早已是“前塵往事”,我們只能借助電腦模擬來再現(xiàn)這一過程。美國哈佛-史密森天文中心的科學(xué)家們就做了這樣的模擬。

        首先模擬的是熱暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙演化過程。人們本來對中微子寄予厚望,但結(jié)果大出乎意料。在這個圖景里,宇宙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)確實(shí)形成了,但在“網(wǎng)眼”似乎比今天觀測到的宇宙密了許多。同時,相對小尺度的結(jié)構(gòu)——星系,卻又無法在模擬中生成。

        接著,又模擬冷暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙演化過程。這一次,率先形成的是星系,然后是星系團(tuán),再后來,含有“網(wǎng)絲”和“網(wǎng)眼”的整個宇宙大尺度結(jié)構(gòu)也出來了。模擬得到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu),與CFA巡天所觀測到的十分相似。

        這樣,“冷”“熱”暗物質(zhì)誰主宇宙“沉浮”,也就一目了然了。

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