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[探索] 暗物质到底有多重？占据宇宙85%的物质，到底是什么粒子构成的

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番茄配乌梅 发表于 2021-2-7 13:50:25 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
在宇宙中，你所看到的一切天体，即便它们再重，其质量加在一起也仅仅占据了宇宙的不到15%。而宇宙中85%以上的质量，都是暗物质。

暗物质到底有多重？占据宇宙85%的物质，到底是什么粒子构成的 第1张图片


暗物质提供了引力，将星系的天体约束在一起。甚至在宇宙的早期，星系也是在暗物质的束缚下形成的。然而，除了引力之外，暗物质几乎不与可见物质有任何直接的相互作用，这使得科学家没有办法直接对它进行观测，因此至今也没有人知道暗物质的本质是什么。

当然了，和可见物质一样，暗物质也是由基本粒子构成的。因此，科学家的首要目标，就是搞清楚构成暗物质的粒子，这将会有助于我们了解整个暗物质的特性及其在宇宙中扮演的重要角色。
最近，英国萨塞克斯大学物理学和天文学教授Xavier Calmet取得了一项重大的突破，他带领着自己的博士生Folkert Kuipers即将在下个月的《物理快报B》上正式介绍他们的研究成果。Calmet介绍，他们的工作进一步缩小了暗物质粒子的质量范围，这将有助于科学家们寻找这种神秘的粒子。

暗物质到底有多重？占据宇宙85%的物质，到底是什么粒子构成的 第2张图片


在此之前，科学家们已经对暗物质粒子的本质提出了多种猜想，其中有三种粒子的可能性比较高——
    中微子：最初由泡利预言，在1958年正式被发现，几乎没有质量，但却是宇宙中第二多的粒子；轴子：不仅可能是暗物质粒子的本质，还是大统一理论的希望，虽然仍停留在理论层面，但近些年来人类已经发现了轴子的痕迹；弱相互作用大质量粒子：简称WIMPs，几乎完全存在于理论中，真正被发现的新闻非常少，只通过引力和弱核力进行相互作用。
除了它们之外，还有人提出过其他的粒子来解释暗物质。Calmet指出，想要缩小暗物质候选者的范围，通过实验研究来缩小暗物质粒子的质量范围就是一种有效的手段。那么，他们该怎么做呢？

暗物质到底有多重？占据宇宙85%的物质，到底是什么粒子构成的 第3张图片


正如我们反复介绍的，暗物质仅仅通过引力与可见物质发生相互作用。因此，引力也就成为了科学家们研究暗物质的主要手段。不仅如此，Calmet还利用了量子引力概念。顾名思义，量子引力是一种试图将量子力学和广义相对论相结合的理论，属于大统一理论的一部分，通过它对暗物质粒子质量进行约束，比单纯使用广义相对论要更精确一些。

我们知道，爱因斯坦的广义相对论对于研究天体物理学来说非常重要，突破了经典力学无法解释大质量天体和接近光速的速度的限制。而量子力学恰恰相反，是用来解释小得不能更小的量子世界所发生的神奇现象。二者都是当今物理学最高级的理论，但是在黑洞这样的极端环境中，二者之间的矛盾就会非常突出。

暗物质到底有多重？占据宇宙85%的物质，到底是什么粒子构成的 第4张图片


宇宙四大基本作用力中的另外三种——电磁力、弱相互作用和强相互作用都已经被量子力学成功的解释，只有在引力方面陷入了滑铁卢。因此，才有人提出了量子引力的理论，试图借此实现物理学两大理论的统一。可惜的是，至今科学家也没有找到足够的证据来证明这个理论。
正因如此，科学家们也一直没有将这个理论与暗物质联合起来，直到Calmet进行了他们的这次研究。Calmet指出：“我们的想法其实比较简单，但意外的是，此前从没有人想到过这一点。”

具体来说，Calmet和Kuipers是利用科学家们根据广义相对论的分析结果，计算出了暗物质粒子的质量和上限下限；随后，他们利用量子引力理论，对暗物质粒子的寿命进行了约束。由于对于暗物质粒子质量范围的估算都是来自于广义相对论，因此这个推测是独立于尚处于假设阶段的量子引力学说的。

暗物质到底有多重？占据宇宙85%的物质，到底是什么粒子构成的 第5张图片


而另一方面，虽然量子引力效应一般来说都是微不足道的，但是如果暗物质粒子的衰变时间非常长，甚至可能和宇宙的年龄差不多，超过了100亿年，那么量子引力效应就不能忽略了。

在此之前，科学家们推测的暗物质粒子质量在10^-24eV（电子伏特）-10^19Gev之间。注意，二者之间不仅相差着几十个数量级，甚至单位还差了一个G，也就是10的9次方。可以说，这个质量范围简直宽出了太阳系。

而根据Calmet的研究成果，暗物质粒子的质量被极大程度上缩小，最小为0.001eV，上限为10^7eV。在最近30年的时间里，人们在量子引力的研究领域取得了许多的进展，也对暗物质有了更多的研究，但从没有人将二者结合起来。而Calmet进行了这一尝试，并且限制了暗物质粒子的质量上限和下限。

暗物质到底有多重？占据宇宙85%的物质，到底是什么粒子构成的 第6张图片


这对于人类的暗物质研究来说具有重大意义，这可以帮助科学家确定暗物质是否像此前人们普遍认为的那样只产生引力作用，还是有另外一种神秘的力量也可以作用于暗物质之上。
Calmet说：“假如我们发现暗物质粒子的质量超出了本论文中提出的范围，那么我们发现的不仅仅是暗物质，还有还有非常有力的证据可以证明，还有引力以外的一种新的力作用于暗物质之上。”

作为占据宇宙85%以上质量的暗物质，对于宇宙的发展有着至关重要的意义，直到今天仍然广泛地分布在宇宙的各个星系之中。尽管有些科学家仍然提出质疑，但基本上现有的观测结果都暗示我们暗物质是的确存在的。

暗物质到底有多重？占据宇宙85%的物质，到底是什么粒子构成的 第7张图片


目前，世界各国的科学家都在努力研究这种主宰着宇宙的物质。人类如果想要了解这个宇宙，甚至在宇宙中穿梭，暗物质将是我们不得不跨越的一道坎。


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