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上天入地寻找“黑暗家族”

科技日报记者  都 芃。黑暗家族

当我们抬头仰望星空时,上天我们可以看到星星的入地光芒遍布天空。但除了我们能看到的寻找这些微光,宇宙实际上被更多的黑暗家族“黑暗”填满了。科学家认为,上天宇宙总质能的入地95%是由人类看不见、摸不着的寻找暗物质和暗能量组成的。宇宙中由它们组成的黑暗家族“黑暗家族”不发出任何信号,极难探测,上天但却充斥着宇宙空间,入地成为人们最想解决的寻找谜团之一。

欧几里得太空望远镜于当地时间7月1日在佛罗里达州卡纳维拉尔角发射。黑暗家族望远镜将在100亿光年内观察数十亿星系,上天创建迄今为止最大、入地最准确的宇宙“3D地图”,试图揭开长期困扰人类的暗物质和暗能量之谜。

发现暗物质和暗能量的历史。

要理解暗物质和暗能量,我们必须首先解释一个“悖论”,即既然暗物质和暗能量极难察觉,人类最初是如何确定它们的存在的?

20世纪30年代,瑞典天文学家在研究中发现,后发座星系的速度非常大,这意味着不同星系的速度非常不同。对于星系团中运行速度极快的星系来说,仅仅依靠星系团中发光物质的质量,就不足以束缚其如此巨大的运行速度。根据位力定理计算的星系团总质量远大于根据发光度计算的星系团总质量。因此,天文学家大胆推测,星系中仍有大量不发光但有质量的物质,并称之为暗物质。

如果打个通俗的比喻,暗物质可能就像黑暗房间里的大象,它巨大的身体填满了整个房间。然而,由于它本身没有发出任何光和信号,人们无法知道它的存在,只能看到头顶电灯发出的一点光,误以为它是宇宙“房间”中的全部存在。“暗物质是一种在天文观测中发现的物质,具有引力但不发光的作用。对暗物质粒子物理性质的研究是粒子物理和宇宙学最重要的研究课题之一。北京大学物理学院研究员刘佳介绍。

虽然暗物质是看不见的,但它们可以被称为“物质”,因为它们具有物质的基本特性。例如,暗物质具有质量和重力,也可能与其他颗粒接触和碰撞。

与暗物质相比,暗能量更难以捉摸。

直到20世纪末,天文学家才真正认识到暗能量的存在。暗能量概念的提出与宇宙加速膨胀理论密切相关。长期以来,天文学家普遍认为,由于天体间引力的存在,宇宙的膨胀速度正在逐渐放缓。然而,在20世纪末,许多研究团队通过不同距离被称为宇宙标准烛光ⅠA型超新星观察后发现,地球与这些标准烛光的距离正在加速,即我们的宇宙正在加速膨胀。

显然,引力可以缩短天体之间的距离,但为什么宇宙仍在加速扩张呢?据此,天文学家认为,一定有未被发现的力量在与重力作斗争,促进宇宙的加速膨胀,从而产生了暗能量的概念。

用“引力透镜”检测暗物质。

虽然看不见,但暗物质和暗能量并非无迹可寻。他们有自己的方法来证明自己的存在。

蔡一夫,中国科技大学物理学院天文学系教授,告诉《科技日报》,引力透镜效应是确认暗物质存在的最常用的方法之一。基本原理是,基于广义相对论,光线会因为大质量天体的引力而弯曲,类似于镜头对光线的作用。如果地球和极其遥远的发光天体之间有一些引力源,这些引力源的引力场就会像镜头一样改变周围的光线。暗物质也有引力,所以它也会对光线产生引力透镜效应,从而有机会被我们探测到。“通过引力透镜效应勾勒暗物质的分布是目前最重要的检测方法之一。蔡一夫说。

与暗物质相比,暗能量的探测更加困难。科学家们一直无法直接探测暗能量的来源和特征,因为它仍然无法确定。蔡一夫说,探测暗能量的主要方法仍然依赖于正确的方法Ⅰ实现a型超新星的标准烛光测距。宇宙的膨胀会拉伸我们与标准烛光的距离,我们收到的标准烛光的光会产生红移效应。天文学家将有机会探索宇宙膨胀的历史,揭示暗能量的本质,通过收集和分析大量标准烛光红移数据。

虽然对暗能量的研究还没有定论,但对暗能量来源的讨论一直是天文学界的热门话题。许多科学家认为黑洞可能是暗能量的来源。不久前,一个国际研究小组观察了星系中央黑洞,结果表明黑洞可能是暗能量的来源。在最新的研究中,科学家比较了遥远的星系和当地椭圆星系的观察结果,发现中央黑洞的质量是90亿年前的7-20倍,如此快速的质量增长不能用吸积和合并来解释,所以研究人员大胆地引入暗能量来解释这一现象。

多管齐下寻找线索。

虽然困难重重,但人类从未放弃寻找暗物质和暗能量的努力。在发射欧几里得太空望远镜之前,人类已经做出了很多尝试。

在暗物质探测方面,中国发射的“悟空”暗物质粒子探测卫星是世界上观测能量范围最广、能量分辨率最高的暗物质粒子探测卫星。它可以通过测量高能宇宙射线来发现暗物质的痕迹。一般认为,宇宙射线的源头一般是超新星爆发,但暗物质也会产生宇宙射线。如果能找到超新星爆发以外的宇宙射线来源,也许能间接检测到暗物质。

除了上帝的答案,为了寻找暗物质,人们还深入地下几公里。暗物质是看不见的,但它会与其他物质碰撞。因此,当暗物质与普通物质的原子核碰撞时,普通物质的原子核会移动并产生微弱的信号,科学家可以通过检测这个信号来检测暗物质的存在。但这种方法需要恶劣的实验环境。由于信号太弱,为了屏蔽宇宙射线的底部,创造一个非常纯粹的实验环境,它必须在地下深处进行,深度越深,宇宙射线的底部就越低。我国在四川锦屏山地下约2400米处修建了地下实验室,其重要目标之一是寻找暗物质。

此外,刘佳还表示,通过可见物质寻找暗物质也是当今粒子物理的前沿热点问题。例如,暗光子是理论学家建立的可见物质世界和暗物质世界的媒介粒子之一。不久前,刘佳的研究团队发现,地球附近的超轻暗光子暗物质可以诱导射电望远镜反射板上的电子振荡,产生可观测的射电信号,偶极射电望远镜可以直接与这种暗物质产生射电信号。基于这一现象,研究小组提出了一种使用射电望远镜直接探测地球附近暗光子暗物质的新方法。

在暗能量探测领域,不久前,中国科学院国家天文台参与了暗能量光谱巡逻国际合作项目(DESI)第一批科学数据发布到世界各地,包括120万个河外星系、类星体和50万颗银河系恒星光谱。该项目计划在五年内获得超过4000万星系的光谱数据,旨在构建三维宇宙空间的物质分布,揭示暗能量的本质和宇宙膨胀的历史。

与之前探测暗物质和暗能量的仪器相比,欧几里得太空望远镜的优点是大而精。它的观测范围足够广,可以覆盖三分之一以上的天空,宇宙图谱可以分类绘制其中10亿星系。“欧几里得太空望远镜的突破在于它获得的高清超大面积巡逻数据,可以提高引力透镜的测量精度,特别是弱引力透镜,显著降低其统计误差。蔡一夫介绍。

通过对数十亿星系的准确观察,欧几里得太空望远镜将创建最大、最准确的宇宙“3D地图”,包括星系的形状、位置和运动状态,帮助天文学家推断宇宙暗能量和暗物质的属性,进一步加深对宇宙本质的理解。

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