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持续百年 让中美欧花数百亿美元的大搜查在找啥
发表时间:2019-01-19

  以暗物质对太阳运行轨迹的影响为例,可以清楚理解暗物质是如何被探测到的。

  最后一个是我国在2015年发射的暗物质粒子探测卫星“悟空”,它主要是通过探测暗物质湮灭所产生的电子来寻找暗物质信号。

  在研究暗物质的历史中,天文学家也提出了许多的设想,好比认为暗物质是不发光的小天体如黑洞,或者是中微子等等,但均已被后来的观测所打消。

  从上图可以看出,暗物质粒子和普通物质的彼此作用可以体当初三个方向上:

  物理学家提出了许多的暗物质粒子模型,但因为不直接观测数据的制约,不同的暗物质模型中暗物质粒子的性质相差别常大。在这许很多多的暗物质模型中,有一种被称为是“弱作用重粒子”的暗物质模型是目前研究最多的。

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  文 |  毕效军 中国迷信院高能物理所研究员

  我们所知道的物质——原子、恒星、星系、行星、树木、石头、我们自己等等,切实只占了已知宇宙的5%还要少,其余约25%是暗物质,残余的70%是暗能量,后两者都是看不见的,而且不能发射或接受电磁辐射,故而称其“暗”。这象征着咱们所感想到的所有,都只是真实 未审存在的一小部分。

暗物质的三种探测方式

  PAMELA卫星在2008发现宇宙线中正电子比通常宇宙线物理所预期的流量高出了许多,这多出来的正电子让科学家异常愉快,认为有可能就是人们长期梦寐以求的暗物质信号。研究表明,暗物质湮灭确切可以完美解释这些多出来的正电子。

  原标题:一场持续了近百年,让中美欧等国花费数百亿美元的大搜查到底在找什么?

  这类模型的出发点是解释“暗物质在宇宙中如何产生”这个问题,而这一模型认为暗物质应该和普通物质一样是在宇宙的极早期从高温高密的物质状态中产生出来的,这和普通物质的产生是同一个进程。

  如上图所示,太阳到星河系中央的距离是2.8万光年,绕银河系中央旋转一周的时间是2.3亿年。物质的引力所产生的向心力可以把太阳固定在这样的轨道上,通过简单的打算就可以知道,这需要在太阳轨道内包括大略1011 MSun(太阳质量)的物质。

  *从下向上,就是通过把普通粒子加速到很高的能量对撞产生出暗物质粒子,这就是暗物质粒子的对撞机探测,比方在欧洲核子核心的大型强子对撞机(LHC)上进行的暗物质寻找就是这种探测方式;

  我们看到,两者有着明显的差异,实际测量的运行速度要远大于盘算结果,这表明星系中还分布着大量的暗物质来增大引力,这些观测结果就是天文学家揣摩暗物质存在的直接观测证据。

  最近AMS-02实验组在一个会议上公布了其最新的测量成果,因为累计了更多的观测事例,最新的结果显示多出的正电子的能谱存在某种“结构”,如果这个结构得到正确的测量,就有可能据此断定正电子的来源。

  但可怜的是,暗物质却不是唯一的阐明。

  因为这类模型能够非常自然地解释我们观测到的暗物质在宇宙中的丰度,因而受到了极大的关注。

AMS-02观测的宇宙线中正电子所占比例(点)和不同的实际模型说明(图中的实线)

  太阳是银河系中的一颗普通恒星,观测更多的恒星的运行轨道就可以进一步推断星系中暗物质的分布信息。

  总而言之,暗物质问题大大激发了人们对未知世界的假想,也正在激励着各国科学家始终地深刻研究这个问题,并在不同的研究方向上取得进步,为终极揭开暗物质谜团贡献本人的力量。

  破费超过数百亿美元,暗物质却迟迟不现身

  各向异性的考试无比艰难,须要积累大批的电子和正电子数据,这就恳求十分大的探测器才行。而我国空间站的未来宇宙线实验HERD存在这样的优势,将可能在这方面获得重要的冲破,为暗物质寻找供给更多的线索。

  从人类开始研讨暗物质至今已有近百年时光,人类为何如此执着于探索这些看不见的货色呢?

  当前探测暗物质主要包括三类实验打算,即对撞机探测、直接探测和间接探测。

  由于暗物质波及宇宙产生和演化的一些最基本问题,它被科学家比作“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云”,是目前国际科研的最前沿领域之一。

  暗物质间接探测的原理如上图所示,即两个暗物质粒子碰撞后会发生“湮灭”而变成咱们熟悉的夸克、轻子等粒子,这些不稳定的粒子会迅速衰变而成为牢固粒子,如正负电子,正反质子,中微子,光子等。

  丁肇中教养领导的阿尔法磁谱仪2号(AMS-02)实验和我国的暗物质粒子卫星“悟空”号探测暗物质就是依据间接探测的方法,探测暗物质粒子湮灭或者衰变后所产生的高能宇宙线粒子。

  来源:瞭望智库

  今天,天文学家建立了一个“标准宇宙学模型”,这个模型中宇宙由68%的暗能量、27%的暗物质和5%的普通物质组成,可以成功解释几乎到目前为止所有的宇宙学观测气象,是当前人类对宇宙的最新意识结果。

  (文内示意图均由作者供应)

  宇宙中看不见、摸不着的最神秘力量

  我们目前大局部暗物质探测实验所要寻找的对象就是这种“弱作用重粒子”的暗物质。

  然而,可以观测到的恒星和气体的品德低了两个数量级。显然,还有更多的不可见的物质奉献了更强的引力,假如不存在暗物质,那么向心吸引力就要弱很多,太阳的旋转速度也要相应小许多。

  编辑 |  李浩然 瞭望智库 

  近年来在暗物质探测方面一个主要的进展就是,发现了宇宙线中存在大量的正电子超出。

  Fermi卫星是美国发射的伽马射线探测卫星,用来寻找暗物质湮灭所产生的伽马射线信号,Fermi2008年发射,至今已经运行了近10年,取得了大量的科研成果。然而,它却不发现暗物质湮灭的信号,因而,给暗物质性质设置了无比严厉的限度;

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  天文学家认为,星河系中存在一种称为脉冲星的天体,它是高速旋转的中子星。这种天体可以加速产生高能量的正负电子对并辐射到银河系空间,这类信号如果传布到地球上,也可以解释实验所观测到的多余正电子信号。

  前不久,诺贝尔物理学奖失掉者、美籍华人物理学家丁肇中在山东大学讲演时,再次为暗物质线索的发现给出了一个时间节点——2024年。他以为,届时对暗物质的起源,“应当能有个决定性的结果出来”。

  在这一前提下,研究发明当暗物质品质和相互作用强度和弱作用类似,那么其在宇宙中所产生的密度就和今天我们观测到的密度相一致。

  而根据不同距离处恒星旋转速度的大小能够推算暗物质在星系中如何分布,我们可以得到如下图所示的河汉系中的物质分布图。从图可见,我们天河系的恒星大部分分布在一个很小的盘状结构中,这就是我们熟习的银盘。在银盘外边包围着巨大的暗物质构成的球状构造,称作暗物质“晕”。

  暗物质弥漫地分布在河汉系中,而脉冲星则是某个位置上的一个星体。因而,脉冲星产生的正电子会有方向性,从而在正电子流强分布上导致一个“各向异性”,但暗物质产生的正电子基本会是“各向同性”的。

  上文提到,有科学团队通过对撞机探测措施,寻找高能粒子对撞产生的无奈被探测器探测的暗物质粒子引发的能量、动量“损失”过程。然而,仅仅对撞机一项,就花费数百亿美元,暗物质却仍迟迟不“现身”。

  *横向方向表示一个暗物质粒子跟一般粒子产生弹性散射,通过探测这种散射发生的信号寻找暗物质,这被称为暗物资的直接探测;

  阿尔法磁谱仪名目由丁肇中主持,背地是个国际配合团队。实际上,加拿大、意大利、中国、日本、德国、美国等寻找暗物质的团队有良多,有的在天上,有的在地下,众里寻暗物质千百度,还不知它是否在灯火阑珊处。

诺贝尔物理学奖取得者丁肇中介绍阿尔法磁谱仪名目最新进展情况

  *而从上向下的方向代表着两个暗物质粒子碰撞并湮灭而产生一对个别粒子,通过寻找这样的湮灭产物寻找暗物质粒子,这被称为暗物质的间接探测。

  然而,即使是AMS-02的结果也无法确认正电子的来源到底是暗物质还是脉冲星,如上图所示,图中不同的曲线代表了不同来源的正电子,我们发现这些曲线都可以解释图中的AMS-02的数据点。

  然而,深入的研究表明,来自脉冲星的正电子和来自暗物质湮灭的正电子的能谱情势很有可能无奈完全分辨。这是因为,这些正电子从源上产生出来当前还要再经历非常复杂的传播过程,这个传播过程会改变能谱的形式,从而使得不同来源的能谱更加难以辨别。

  目前个别认为暗物质应该是由一种全新的粒子形成,它不同于我们已经懂得的任何一种组成我们四周物质的粒子。我们只晓得这种粒子应该是稳固的、不带电的且活动速度很慢的粒子,而其具体是什么粒子,以及其质量、其彼此作用的性质如何等都无法确定。

  另外两个实验是“PAMELA卫星实验”和阿尔法磁谱仪2号(AMS-02)国际空间站实验,都带有磁场,因此可能测量带电粒子的电荷,它们重要是测量宇宙线中的反粒子,如正电子、反质子等,以寻找暗物质信号;

M33星系的旋转曲线

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  2024年也是国际空间站可能的退役时间,正在国际空间站上寻找暗物质和反物质的,是阿尔法磁谱仪。它也是首个安置在太空中的最富强、最灵敏的精致粒子探测装置。

  与百年之前绝对论和量子力学即将诞生时相似,当初人类对物质世界的认识又一次处在了十字路口。毫不夸张地说,找到并研究暗物质,将是继哥白尼日心说、牛顿万有引力定律、爱因斯坦相对论以及量子力学之后,人们意识宇宙的又一次重大奔跑。

暗物质间接探测示用意 多少个空间的暗物质探测实验:AMS-02空间站实验、Fermi卫星、“悟空”卫星   天河系的物质分布:普通恒星分布在盘状结构上(disk),而暗物质则造成一个巨大的简直球对称的晕状结构,叫做暗物质晕(Dark matter halo)

  只管暗物质不发射或接收电磁辐射因而无法被天文设备直接观测到,然而它的引力效应却影响了其四处可见物质的运动轨迹,因而可能被间接探测到。

  暗物质这么难寻找,这也正是它的魅力所在,我们也不要灰心,仍是有其余办法可能划分暗物质来源的正电子和脉冲星来源的正电子。

  间接探测即是寻找宇宙线中的这些信号来寻找暗物质的信号,间接探测实验也通常决定在地面跟空间进行,地面的实验合适探测暗物质湮灭所发生的伽马射线信号和中微子信号,但带电粒子会和大气很快产生反应,所以地面实验不是特别适合探测带电粒子信号。

  通常,为了得到更加干净的暗物质湮灭信号,需要在空间发展实验,包含卫星实验和在空间站发展的实验。

  本文为瞭望智库原创文章,如需转载请在文前注明来源瞭望智库(zhczyj)及作者信息,否则将严格查究法律任务。

  对于天文学家来说,暗物质与恒星、行星一样,都是实在存在的物质。天文学家可以绘制暗物质分布图,把一个个星系视为由“发光”的普通物质点缀着的暗物质云团。借用暗物质,科学家还胜利地解释了宇宙结构是如何构成和演变的。

  或者,我们已濒临发现暗物质的边缘

  有人可能认为,既然暗物质隐藏得这么深,我们又怎么判断它存在呢?

  除此之外,其余还有许许多多地舆观测,均证明了宇宙中暗物质的存在。

  比喻,上图所示是一个称作M33的涡旋星系中,恒星绕星系中心旋转的速度与其到星系中心间隔的函数关系示用意。上边的曲线是地理学家观测的结果,而下边的虚线是根据观测的可见物质预计的恒星运行的速度散布。

  然而,经过多年的搜寻,人们至今仍然没能直接探测到暗物质。人们被覆盖在暗物质的云团中,却不知宇宙的暗面毕竟为何物。

  暗物质究竟是一种什么样的物质?

  那么,多国的科学精英都在全力以赴寻找的这个暗物质到底是什么?能最终找到吗?

义务编纂:霍宇昂

  而阿尔法磁谱仪2号(AMS-02)是装置在国际空间站上的大型试验安装,更加准确地丈量宇宙线中正负电子的能谱,岂但证实了PAMELA的观测,还在更大的能量范围和更高的精度上扩展了这一论断。

  目前正在进行的实验有如下多少个:

  比如星系团中热气体的分布、星系团所造成的引力透镜效应、宇宙中微波背景的观测等等均在更大的尺度上证明了暗物质的存在。