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对暗物质百般无奈的研究,科学家通过五维空间重构暗物质

暗物质是一种无形的物质,从理论上讲构成了宇宙中所有物质的大部分。它具有质量,但看不见并且不与普通物质相互作用。那我们宇宙中有多少暗物质?根据我们的宇宙学标准模型,暗物质占宇宙中所有物质的85%,占宇宙总质量能的27%。

谁发现了暗物质?

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在1933年瑞士天文学家弗里茨·兹维克(Fritz Zwicky)研究了昏迷星系中星系的运动,并将其中包含的质量与单个星系的轨道速度进行了比较。他所期望发现的是将银河拉入星团中心的引力将解释它们绕轨道运行的速度。

想象一颗彗星滑过太阳,彗星的路径会向太阳弯曲多少取决于两件事:彗星的速度有多快和太阳的引力强度。如果引力足够大那么彗星将被困在轨道中。如果不是这样或者如果彗星行进的太快,那么彗星将脱离轨道射向太空。

兹维克发现星团外围的星系所行进的速度太快,以至于引力无法将它们保持在轨道上。是什么可以将它们保留在那里?

估算星团中星系的数量和亮度可以到质量的近似值,他用它来计算引力。由于他的估算值太小,因此他推断必须有大量看不见的物体。他称这种奇怪物质为“暗物质”。

暗物质具有一些奇怪的性质。因暗物质是物质,而物质具有质量,所以也同样具有重力效应。只是我们看不到它,这意味着暗物质本身不会发出光或反射光。

暗物质是由什么构成的?

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前段时间有研究人员提出暗物质只不过是看不见的普通物质,迟早一天会被观测到,比较持有这种观点的学者是少数派,如果真是普通物质构成由我们的粒子度规化标准模型提供的理论早就发现了暗物质,暗物质不可能地由死星,气体和尘埃这些简单物质所组成。暗物质必须包含比标准原子粒子更奇特的物质,以确保大爆炸后产生的化学性质类似于我们现在所看到的宇宙。

这种观察上的限制迫使理论家将注意力集中在少数暗物质的候选物上。主要的竞争者包括所谓的弱相互作用大质量粒子('WIMPs')和引力子,它们的存在是通过旨在统一自然界的所有基本力和粒子的理论来预测的,而轴力则是通过原子核如何持有的理论而存在的一起。

新型暗物质理论:暗物质可能会形成超大质量黑洞

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如图射电望远镜发现湍流的气体盘会围绕超大质量黑洞在附近运动

一项新的暗物质理论研究提出了一种由暗物质产生超大质量黑洞的新颖机制,研究人发现与传统的形成“正常”物质的情况不同,超大质量黑洞可以直接由星系中心高密度区域的暗物质形成。该结果对早期宇宙的宇宙学具有关键意义。

最初形成超大质量黑洞的确切方式是当今星系演化研究中的最大问题之一。早在“大爆炸”发生后的8亿年,就已经观测到超大质量的黑洞,但它们如何如此迅速地生长仍然无法解释。

通常标准模型涉及正常的重子物质-组成恒星,行星和所有可见物体的原子和元素-在重力作用下坍塌形成黑洞,然后随着时间的推移而增长。但是这项新研究调查了由暗物质制成并被稀释的暗物质光环包围的稳定银河核的潜在存在,发现这些结构的中心可能变得如此集中,以至于一旦关键时刻它们也可能坍塌成超大质量黑洞。达到阈值。

根据模型这可能比其他提议形成的机制发生得快很多,可能使早期宇宙中的超大质量黑洞在它们所居住的星系形成之前就形成了,这与目前的理解相反。

这种新的形成情况可以为宇宙早期如何形成超大质量黑洞提供自然的解释,而无需事先形成恒星或不需要会以不切实际的积聚率产生种子黑洞。

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新模型的另一个有趣的结果是,对于较小的暗物质光环譬如围绕某些矮星系的那些可能无法达到坍塌成黑洞的临界质量值。作者认为这可能会留下带有中心暗物质核而不是预期黑洞中较小的矮星系。这样的暗物质核心仍然可以模仿常规黑洞的引力特征,而在暗物质的外部晕圈中也可以解释为什么会观测到这样的星系旋转曲线。

这个模型显示了暗物质光环如何在其中心隐藏密集的浓度,这可能在帮助理解超大质量黑洞的形成中起着至关重要的作用。在这里我们首次证明了这样的核心-晕暗物质分布确实可以在宇宙学框架内形成,并且在宇宙的整个生命周期中都保持稳定。”

如果暗物质理论被证实将会提供在我们的宇宙初始模型中,为进一步研究超大规模黑洞的形成提供更多信息,并希望研究非活动星系的中心(包括我们自己的银河系)是否可能成为这些密集暗物质恒星的宿主。

暗物质辐射的神秘X射线

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由两个大星系团的碰撞形成的星系团的合成图像。X射线发出的热气体以粉红色表示,暗物质(由其引力影响推断)以蓝色表示。天文学家已经使用了Chandra X射线档案数据来限制宇宙中神秘的暗物质是由无菌中微子构成的可能性。

就目前已知而言宇宙中约有百分之八十五的物质既不发光也不发射任何其他已知种类物质的暗物质。它另一个显着特质之一是它仅通过重力与其他物质相互作用,暗物质是不携带电磁电荷的,因为暗物质并不是由通常的物质原子核模型所组成。

由于暗物质到目前为止是宇宙中物质的主要组成部分,因此暗物质的分布和引力深刻影响了银河结构的演化以及宇宙微波背景辐射的分布。例如重要的宇宙参数值(宇宙的膨胀率)之间的一致性独立于两个完全不同的宇宙结构、星系和微波背景,这需要对暗物质起重要作用的大爆炸模型提供了可信度。

物理学家试图想像出与宇宙已知定律相符的新型粒子来解释暗物质,但到目前为止还没有得到证实。在标准模型理论中提出了诱人的可能性是所谓的“无菌中微子”。

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当前存在三种已知类型的中微子。它们全都通过重力和弱力(自然界四种力中最弱的力)与物质相互作用。最初认为它们都没有质量就像光子一样,但是大约在20年前,物理学家发现它们确实具有微小的质量-大约比电子质量小一百万倍,这些小问题但仍然足以给物理学中的标准模型带来致命的问题。

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一个可能的解决方案是存在一个更大的中微子,可能是所谓的“无菌中微子”,它的体积可能大一千倍,因为不会通过弱力相互作用,所以至今从未被检测到。

天文学家意识到如果暗物质是由无菌中微子组成的,那么当这些粒子偶对互相抵消时,它们可能会放射出可检测的X射线光子。大约七年前X射线天文学家报告发现一个奇怪的,微弱的X射线光谱发射特征来自暗物质盛行的星系团。他们认为这一特征可能是无菌中微子的特征。

在随后的几年观察中都无结果,对已经进行了许多尝试来确认检测或将其归因于仪器或其他非天文效应但只获得了成功的混合。

在第五维度中寻找暗物质-新的理论物理学发现有助于揭示暗物质的奥秘

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约翰内斯·古腾堡大学美因茨分校(PRI) +卓越集群的理论物理学家正在研究一种超越粒子物理学标准模型的理论,并且可以回答标准模型必须通过的问题,譬如关于基本粒子质量的层次结构或暗物质的存在。目前该理论的中心要素是时空的额外维度,直到现在科学家们还面临着无法通过实验去检验其理论预测的问题。

为了统一重力和电磁力西奥多·卡卢扎和奥斯卡·克莱因早在1920年代就已经推测,存在超出我们熟悉的三个空间维度和时间的额外维度-在常规物理学中这三个维度和时间被组合为4维时空。如果存在那么这样一个新的维度其空间尺度将必须是非常的微小,理论上是比夸克粒子还要小的普朗克尺度。

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在上世纪90年完善标准模型的后期,当意识到第五维的存在可以解决粒子物理学中一些深远的开放性问题时,这个想法发生了翻天覆地的变化。特别是将粒子物理学标准模型嵌入5维时空可以解释迄今为止的情况。在基本粒子的质量中看到了神秘的图案。

自2006年以来,美因兹约翰内斯·古腾堡大学教授兼PRISMA +卓越集群发言人就由马蒂亚斯·诺伊伯特(Matthias Neubert)教授组成的小组–做出了另一个出乎意料的发现:他们发现五维场方程预示了一种新的重粒子,其性质与著名的希格斯玻色子相似,但质量却大得多–实际上如此重,即使在世界上能量最高的粒子对撞机,大型强子对撞机(LHC)上也无法生产欧洲核子研究中心CERN位于日内瓦附近瑞士。

参与这项研究的欧洲物理学博士哈维尔·卡斯特拉诺·鲁伊斯(Javier Castellano Ruiz)回忆说:“这是一场噩梦。” “我对我们的理论预测了一个新粒子的想法感到兴奋,但似乎无法在任何可预见的实验中证实这一预测。”

绕过第五维

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在最近发表在《物理学通信》一篇论文中,研究人员发现了可以解决这一难题的惊人方法。他发现提出的粒子必定会在我们可见宇宙的已知基本粒子与神秘的暗物质暗区之间介导新的力量。

天体物理学实验中观察到,甚至宇宙中大量暗物质都可以用它们的理论来解释。这提供了令人兴奋的新方法来搜索暗物质的成分(实际上是通过绕过额外的维数绕道而行),并在产生暗物质的宇宙历史的很早阶段就获得了有关物理学的线索。

经过多年的寻找,我们的理论预测很可能会得到证实,我相信发现的机制将使暗物质可用于即将进行的量子计算机模拟实验中,因为普通物质和暗物质之间新的相互作用的特性是由媒介所介导的。有位研究小组负责人马蒂亚斯·纽伯特(Matthias Neubert)教授曾说:“我们提出的粒子–可以在我们的理论范围内准确计算出来。”

根据弦理论的超对称规范场方程计算得出,如果我们宇宙的暗物质历经在同一条时间线上同时放大缩小,会表现出五维物体所具有的性质,也就是说通过爱因斯坦引力透镜会观测捕捉到暗物质是什么?

最终我们的希望是新粒子可能通过与暗物质的相互作用而被发现, 这个也很好地说明了实验和理论基础科学之间是富有成果的相互作用。

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