暗物質

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更新時間: 2013-07-17

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暗物質(dark matter),在宇宙學中又稱為暗質,是指無法通過電磁波的觀測進行研究,也就是不與電磁力產生作用的物質。人們已經發現宇宙中有大量暗物質的存在。暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性,對結構形成也非常地關鍵。暗物質很有可能是一種(或幾種)粒子物理標準模型以外的新粒子所構成。對暗物質和暗能量的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。

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1 暗物質 - 簡介

大質量的星系團阿貝爾2218為科學家提供了暗物質存在的證據。通過星系團周圍的弧線——背景星系扭曲的像,天文學家發現其中必定還含有更多看不見的物質。大質量的星系團阿貝爾2218為科學家提供了暗物質存在的證據。通過星系團周圍的弧線——背景星系扭曲的像,天文學家發現其中必定還含有更多看不見的物質。
在宇宙學中,暗物質是指那些不發射任何光及電磁輻射的物質。暗物質存在的最早證據來源於對球狀星系旋轉速度的觀測。

暗物質在宇宙中所佔的份額遠遠超過人類可以看到的物質。宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量,暗物質占宇宙25%,暗能量佔70%,我們通常所觀測到的普通物質只佔宇宙質量的5%。

暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性,對結構形成也非常關鍵。暗物質很有可能是一種(或幾種)粒子物理標準模型以外的新粒子。對暗物質和暗能量的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。

2 暗物質 -發現歷史

3 暗物質 -組成成分

早期暗物質的理論重在一些隱藏起來的一般物質星體,例如:黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。這些星體一般歸類為暈族大質量緻密天體 (MAssive Compact Halo Objects,縮寫為:MACHOs),然而多年來的天文觀測無法找到足夠量的MACHOs。
渺中子湮滅產生次級粒子。當兩個渺中子發生碰撞就會產生夸克、輕子和玻色子,它們又會通過低能光子、γ射線和衰變過程產生正電子、電子、中微子、反質子和質子。渺中子湮滅產生次級粒子。當兩個渺中子發生碰撞就會產生夸克、輕子和玻色子,它們又會通過低能光子、γ射線和衰變過程產生正電子、電子、中微子、反質子和質子。

一般認為,難以探測的重子物質(如MACHOs以及一些氣體)確實貢獻了部分的暗物質,但證據指出這類的物質只佔了其中一小部分。而其餘的部分稱作「非重子暗物質」。此外,星系轉速曲線、重力透鏡、宇宙結構形成、重子在星系團中的比例以及星系團丰度(結合獨立得到的重子密度證據)等觀測數據也指出宇宙中85%-90%的質量不參與電磁作用。這類「非重子暗物質」一般猜測是由一種或多種不同於一般物質(電子、質子、中子、中微子等)的基本粒子所構成。

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在眾多可能是組成暗物質的成分中,最熱門的要屬一種被稱為大質量弱相互作用粒子(英文叫做Weakly Interacting Massive Particle,簡稱WIMP)的新粒子。這種粒子與普通物質的作用非常微弱,以致於他們雖然存在於我們周圍,卻從來沒有被探測到過。

還有一種被理論物理學家提出來解決強相互作用中CP問題,被稱為軸子的新粒子,也很有可能是暗物質的成分之一。惰性中微子(sterile neutrino)也有可能是組成暗物質的一種成分。

4 暗物質 -理論模型

人們將可能的暗物質分為三個大類:冷暗物質、溫暗物質、熱暗物質。 這個分類並非依照粒子的真實溫度,而是依照其運動的速率。
冷暗物質:在古典速度下運動的物質。
溫暗物質:粒子運動速度足以產生相對論效應。
熱暗物質:粒子速度接近光速。
雖然可以有第四個稱為複合暗物質(mixed dark matter)的分類,但是這個理論在20世紀90年代由於暗能量的發現而被捨棄。

5 暗物質 -探測實驗

6 暗物質 -觀測手段

1、引力透鏡法;

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2、旋渦星系的旋轉曲線;

3、星系中的恆星或星系團中的星系的速度彌散;

4、星系團(及橢圓星系)的X射線氣體的流體靜力學平衡方法;

5、星系團的蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應。

7 暗物質 -探索成果

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