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暗物質與暗能量(中)

2018/07/10   維加斯新聞報
劉文旺

    (二)、暗物質、暗能量充滿矛盾的觀測現象及分析(下)
    按照現有的假設:對於可能的暗物質粒子全稱微相互作用有品質粒子(WIMP),一般認為有兩種暗物質粒子:一種是大品質弱相互作用的中性子。這是一種粒子超對稱模型中提出的粒子;另一種被稱為軸子,是一種非常輕的粒子;對於暗能量有兩種模型,一種是從宇宙項出發,假設存在的一種均勻充滿空間的場;另一種則是一種隨時間與空間不斷變化的動力場。至於它們的物質本質仍不明確。
    我們知道,人們一般通過這些粒子與常規粒子的相互作用或自身的衰變、湮滅等過程產生的射線來尋找。暗物質間接探測就是在宇宙線中尋找暗物質湮滅或者衰變產生的信號,表現在宇宙線能譜上,就是各種對傳統譜線的超出。因此,實驗中需要準確區分宇宙線的種類,並且精確測量宇宙線的能譜。
 
    一個美國地下探測暗物質實驗組,名為CoGeNT,聲稱看到了暗物質蹤跡,置信度2.8標準誤差,也就是比99.5%稍小一點。但並沒有得到人們的普遍認可。
    中國的PandaX-II暗物質探測(位於錦屏山隧道中部)國際合作組,最近在物理學國際頂級學術期刊——《物理學評論快報》發表了500公斤級液氙探測器低本底運行80天的暗物質探測結果。這是目前世界上正式發表的靈敏度最高、曝光量最大的液氙暗物質探測結果。這個結果比美國LUX合作組2015年正式發表的在大品質區原世界最靈敏結果好了近3倍。
    PandaX實驗,首次採用了110個新型三英吋的光電倍增管來進行記錄。最新結果相當於3.3萬公斤的氙原子在一天時間內沒有和這些暗物質粒子發生過一次碰撞,或者一公斤的氙原子在3.3萬天裡沒有發生過一次碰撞。

 
    中國錦屏地下實驗室Pan-daX(熊貓計畫)實驗負責人季向東博士7月21日在英國舉行的兩年一度的國際暗物質大會上正式公佈了PandaX二期500公斤級液氙暗物質探測器運行的第一個物理結果。
    此外,為了尋找暗物質2015年12月17日8時12分,中國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將暗物質粒子探測衛星DAMPE —“悟空”發射升空。“悟空”是目前世界上觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子探測衛星,超過國際上所有同類探測器。它可以精確地測量出宇宙中高能粒子的物理屬性及其空間分佈特徵。它含有300多根2cm見方,長60cm的BGO晶體構成,這是世界上最長的BGO晶體。它的能段是“阿爾法磁譜儀”的10倍,能量解析度比國際上同類產品高3倍。
    它將在太空中開展高能電子及高能伽馬射線探測任務,探尋暗物質存在的證據,研究暗物質特性與空間分佈規律。
據說,DAMPE可以以前所未有的靈敏度和能量範圍探測電子,光子和宇宙射線:“悟空”對於電子和光子,探測範圍是5GeV-10TeV,在800GeV的能量解析度為1%。對於宇宙射線,探測範圍為100GeV-100TeV能區,在800GeV的能量解析度優於40%。對於電子和光子,幾何因數是約0.3 mSR,對於宇宙射線大約0.2 mSR。100 GeV的角解析度為0.1°。
一年後的2016年12月29日,暗物質粒子探測衛星“悟空”頻繁記錄到來自超大品質黑洞CTA 102的伽馬射線爆發。
關於暗能量的探測我們得到的資訊就更少了:1997年12月,“大紅移超新星搜索小組”的成員的哈佛大學天文學家羅伯特•基爾希納等根據超新星的變化顯示,宇宙膨脹速度非但沒有在自身重力下變慢反而在一種看不見的、無人能解釋的、神秘力量的控制、推動下變快;日本理化研究所發佈新聞公報說,日本理化研究所的稻田直久和美國斯坦福大學的大栗真宗共同領導的研究小組,觀測了宇宙空間中約2.3萬個類星體,發現受“引力透鏡效應”影響的類星體數目非常多,們認為,這也許只有暗能量才能解釋。
    新華社洛杉磯2017年5月30日電,由中國天文學家領銜的一個國際研究團隊,利用宇宙深處類星體的空間分佈,首次成功探測宇宙膨脹歷史,繪製出大尺度結構的宇宙3D圖像,從而“證實”了暗能量的存在。
宇宙中都包含相同的重子聲波振盪信號(重子聲波振盪信號是早期宇宙中聲波振盪留下的遺跡。),“擴展重子振盪光譜巡天”的天文學家發現了顯著的重子聲波振盪信號。通過對此觀測,天文學家推算了類星體的距離,從而繪製類星體的三維空間分佈。在eBOSS運作的兩年內,天文學家利用斯隆地基望遠鏡已精確測量了超過14.7萬顆類星體的三維空間位置。
    我認為,這實際上只是對現象的重複觀測,即沒有找到暗能量的組成物質,也沒有給出暗能量、暗物質的物質基礎和作用機制。這是尋找到了暗能量、暗物質了嗎?!暗能量、暗物質粒子之間是相互吸引還是相互排斥?按現有理論,暗物質、暗能量均勻分佈在宇宙空間。他們沒有聚集成宏觀的物質存在,因此,這些物質之間應該是相互排斥的。這就產生一個疑問,雖然暗物質吸引星系物質促成了天體、星系、星系團的產生,但是,由於暗物質之間是相互排斥的。因此,即使有暗物質的存在。彼此的斥力也是不能允許星系、星系團的存在的。但這不是事實。這是為什麼?
 
    我們知道,暗能量這個名詞是由邁克•透納引進的。
    概括地說。在1998年,兩個研究小組通過觀察發現,組距離地球十分遙遠的天區 ,Ia型超新星爆炸釋放出的能量比預期的要小,為此科學家們假設宇宙中存在一種充滿整個空間的、增加宇宙膨脹速度的能量形式——暗能量。它具有負壓強的能量。按照相對論,這種負壓強在長距離類似於一種“反引力”——斥力。這個觀點最初是用來解釋宇宙加速膨脹和宇宙中失落物質等問題的一種假設。
在宇宙標準模型中,暗能量佔據宇宙約68.3%的質能。
    暗能量現有兩種模型:一種認為是愛因斯坦的宇宙學常數——一種均勻充滿空間的常能量密度和標量場——一個能量密度隨時空變化的動力學場,如,模空間等。對宇宙有恒定影響的標量場常被包含在宇宙常數中。宇宙常數在物理上等價於真空能量。
    十分令人遺憾的是,這兩個模型都沒有給出暗能量的物質基礎。暗能量也是由構成我熟知的物質的質子、中子、電子、中微子等物質構成的嗎?
    有人把"暗能量"稱之為"真空能"。如果真空真是"暗能量"那麼就應該具備一切能量的基本屬性和基本特徵-力量。可見真空是否具備力的特徵和力的屬性也就成為"暗能量"成為真空的前提條件。
    如果真空一旦被證明具備力的屬性,那麼"真空力"就成為獨立於萬有引力、電磁力、強力和弱力之後在自然界中普遍存在著的第五種自然作用力即"第五種力";。但是這是一種沒有辦法的辦法,真空的物質基礎時什麼。這與我們物理學中原本定義的真空——與我們熟知的客觀存在的物質相比較就是什麼都沒有,從而不影響物質的運動的理念是直接相悖的。
    正是因為有了牛頓定律,有了真空才使我們正確描述了太陽系中天體的運動。加入真空具有這種暗能量、暗物質的作用特徵,就會直接影響牛頓萬有引力在太陽系中的主宰作用,而此不是事實。特別是,這些產生引力的暗物質、產生斥力的暗物質暗能量典型特徵就是擁有能量,因此,不可能沒有慣性品質的存在。這樣,它們均勻地分佈在宇宙空間,一定會在宇宙天體的運動中產生阻力。由於宇宙中暗物質、暗能量占到了宇宙中物質的95.1%。因此,我們見到的宇宙中天體會在阻力作用逐漸減慢而最終落到核心天體上,至少我們能觀察到所有的環繞引力中心運動的天體,都處於主減速的過程中,但這不是事實。
    特別是,這些暗物質、暗能量物質會被這些天體的運動衝撞得混亂運動,這樣它們對宇宙天體的運動的引力或斥力就會因此變得就混亂。這樣,我們宇宙中天體就會處於混亂無序地運動。
吾愛吾師,更愛真理。為什麼現代的物理學家、天體物理學家不思考一下這些問題那?
我們知道宇宙的運動基本上是旋渦型的,所以暗物質、暗能量也應該是以一種旋渦運動的形式出現。但是,我們並沒給出這寫物質為什麼也是以漩渦形式運動的。更沒有理論解釋一般認為暗物質、暗能量是均勻分佈的。這應該是一個理論內在的矛盾。
    暗能量相比較暗物質更是奇特的有過之而無不及,因為它只有物質的作用效應而不具備物質的基本特徵,所以都稱不上物質故爾將其稱之為"暗能量","暗能量"雖然也不被人們所感覺也不被現時各種儀器所觀測,但是人們憑藉理性思維可以預測並感知到它的確存在。
    但1998年,美國加州大學伯克利分校的物理學伯克利國家實驗室高級科學家索爾皮爾姆特,以及澳大利亞國立大學布賴恩施密特分別領導的兩個小組,通過觀測發現,那些遙遠的星系正在以越來越快的速度遠離我們。換句話說,宇宙是在加速膨脹。
    然而,至少在90億年前,宇宙中另外一種力量--表現為排斥力的發生的量的暗能量已經出現,並且開始逐步抵消引力作用。
    日本理化研究所發佈新聞公報說,日本理化研究所的稻田直久和美國斯坦福大學的大栗真宗共同領導的研究小組,觀測了宇宙空間中約2.3萬個類星體,以求找到受"引力透鏡效應"影響的類星體。
    此次觀測到的受"引力透鏡效應"影響的類星體數目非常多,科學家們認為,這也許只有暗能量才能解釋。他們的進一步分析表明,在假設暗能量占到宇宙成分的70%時,理論計算與實際觀測的結果最為吻合。
美國太空網研究表明,神秘的暗能量幾乎確定的存在,儘管有些天文學家仍可能存在質疑。暗能量被認為是加速宇宙膨脹的物質。再經過兩年的研究後,一支國際科研小組總結稱,暗能量存在的可能性達到99.996%。但科學家對暗能量究竟是什麼,仍知之甚少。
    美國加州理工學院的物理學家西恩卡羅爾也對《財經》記者強調,要找到一個更具確定性的模型,不僅需要天文學上的資料,可能更需要來自粒子物理學的證據。尤其是2007年即將在歐洲投入運行的大型強子對撞機(LHC),或許"我們可以期待"。
    1、通過對遙遠星系團發出的X射線進行觀測和分析,歐洲航天局科學家得出了與暗能量理論不符的結果。不過專家指出,新結果是否意味著人們一直探討的宇宙暗能量"或許並不存在",仍需更多的觀測研究來證明。
    2.關於暗能量理論,一些科學家認為,要驗證暗能量是否存在,辦法之一是比較各星系團中熾熱氣體的比例。
星系團由成百上千個星系組合而成,其半徑達數百萬光年。星系團的特點之一是其中有大量熾熱氣體,溫度在1000萬到1億攝氏度之間。歐洲航天局的XMM牛頓天文望遠鏡捕捉到了古老的遙遠星系團發出的X射線。科學家對此進行分析後得出了這些古老星系團中熾熱氣體所占的比例。他們將這些資料與距地球最近也就是最年輕的星系團中熾熱氣體所占比例進行了比較,結果發現二者沒有差別。
    科學家認為,只有假設宇宙中沒有暗能量才能解釋這一現象。
    暗物質,暗能量肯定都是有品質的。所以能夠產生引力,那麼現在我們周圍,銀河系,星系之間的引力狀況,就不會是現在觀測到的那樣。會更大。因為又增加了90%多的暗物質。
    暗物質與暗能量的作用是相互矛盾的。我們周圍星系所受到的斥力應該遠遠大於引力,使得很少有星系能夠維持在自己的軌道上,現在這樣的星系,星系團,是不可能形成的。所以反引力和引力是一種半開放或者封閉的力。
科學家稱167億年後地球將被"暗能量"撕裂,這是一種沒有依據的不負責任言論。
    2006年,美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E 0657-56進行觀測,無意間觀測到星系碰撞的過程,星系團碰撞威力之猛,使得黑暗物質與正常物質分開,因此發現了暗物質存在的直接證據。
    2007年5月16日出版的《天體物理學雜誌》稱,約翰斯•霍普金斯大學天文學家小組利用哈勃太空望遠鏡,探測到了位於遙遠星系團中呈環狀分佈的暗物質。天文學家們稱,這是迄今為止能證明暗物質存在的最強有力的證據。研究小組成員、天文學家詹姆斯•傑說,“這是第一次探測到有著獨特結構的暗物質,它的環狀結構與星系團內部星系以及熱氣體的結構截然不同”。
    這將有助於天文學家分析暗物質與普通物質的區別,理解引力作用是如何影響暗物質的。
    2009年12月21日,科學家在Souden煤礦中發現暗物質,這是迄今為止最有力的發現暗物質證據。其他實驗也在探尋來自暗物質的信號,比如地下氙(Lux)實驗。美國費米太空望遠鏡則試圖定位暗物質,尋找其在空間湮沒(暗物質發生碰撞時,兩個粒子將生成可以被探測器接收到的γ射線)的證據,但目前沒有任何發現。
    2011年5月,義大利暗物質探測無果,該研究結果質疑其它發現暗物質的結果。有科學研究表明,大麥哲倫星系(距銀河系約16萬光年)未被銀河系的引力撕碎的原因可能是因為暗物質的影響,使大麥哲倫星系倖免於難。
日內瓦時間2013年4月3日下午5點(北京時間2013年4月4日零點),諾貝爾物理獎獲得者丁肇中教授在日內瓦歐洲核子中心,首次公佈其領導的阿爾法磁譜儀(AMS)專案18年之後的第一個實驗結果——已發現的40萬個正電子可能來自一個共同之源,即脈衝星或人們一直尋找的暗物質。
    2013年4月18日,美國物理學會的科學家報告稱,在實驗中發現大品質弱相互作用粒子的信號強度達到3個西格瑪水準,他們發現暗物質的可能性達到99.8%。
    2013年4月,當地時間3日,諾貝爾獎獲得者、華裔物理學家丁肇中及其阿爾法磁譜儀專案團隊宣佈,他的團隊借助阿爾法磁譜儀已發現40萬個正電子,這些正電子可能來自人類一直尋找的暗物質。
    北京時間2014年9月18日,程林教授團隊與丁肇中合作的AMS項目重大成果發佈會在瑞士日內瓦舉行。在已完成的觀測中,證明暗物質存在實驗的6個有關特徵中,已有5個得到確認。
    2017年1月29日,在阿奇夫論文預印本網站上發表報告稱,美國航空航天局的錢德拉X射線天文臺的資料顯示,以特定能量發出的超量X射線令圖表上出現一個隆起。眾所周知,X射線譜線能揭示暗物質的存在。
     “暗物質”星系團,也被稱為“子彈星系團”,距離地球38億光年。通過研究這類星系團,科學家能夠測量出暗物質的不可見影響。子彈星系團是兩個星系團碰撞的產物。其中普通物質——高溫氣體(粉色,X射線波段)——會碰撞、損失能量、運動速度變慢。星系團中的暗物質(藍色,引力透鏡觀測)間相互作用很弱,可以彼此穿過。見下圖:
 
    但是,事實上科學家們也不知道究竟何為暗物質。由於暗物質既不釋放任何光線,也不反射任何光線,因此最強大的天文望遠鏡都無法直接探測到它。
    科學家們發現螺旋星系NGC 4736的旋轉能完全依靠可見物質的引力來解釋,也就是說這個星系沒有暗物質或者暗物質很少。
    地球上另一項探尋暗物質的嘗試聚焦於強大的粒子加速器,這類加速器可以將亞原子粒子加速到接近光速,然後讓它們相互碰撞。科學家們希望通過這種難以置信的高速碰撞從而產生奇異粒子,其中包括暗物質粒子。不幸的是,即使採用最強大的粒子加速器,至今也未能發現暗物質的任何跡象。
    最大的希望就寄託於新型的粒子加速器大型強子對撞機身。大型強子對撞機緊湊型μ子螺旋型磁譜儀實驗專案組成員之一的恩諾表示,“大型強子對撞機或許會最終讓我們獲得足夠的能量以產生暗物質粒子,並在撞擊中發出它們。”。
    科學家們也無法確定暗物質粒子究竟有多大,有多重,以及究竟需要多大的能量才能夠在實驗室中發現它們。或許在任何加速器中都無法找到暗物質粒子。恩諾表示,“我們或許不知道這樣一個事實,那就是暗物質粒子是我們無法製造或探測到的粒子。”
    暗物質的存在,加速了我們知道的物質收縮形成星系。因此,暗物質暈的密度分佈應該在核區出現陡增,也就是說隨著到中心距離的減小,其密度應該急劇升高,但是這與我們觀測到的許多自引力系統的中心區域明顯不符。正如在引力透鏡研究中觀測到的,星系團的核心密度就要低於由大品質暗物質暈模型計算出來的結果。普通旋渦星系其核心區域的暗物質比預期的就更少了,同樣的情況也出現在一些低表面亮度星系中。矮星系,例如銀河系的伴星系玉夫星系和天龍星系,則具有與理論形成鮮明對比的均勻密度中心。流體動力學模擬出來的星系盤其尺度和角動量都小於觀測到的結果。在許多高表面亮度星系中都呈現出旋轉的棒狀結構,如果這一結構是穩定的,就要求其核心的密度要小於預期的值。
    這怎麼解釋?


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