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中微子是暗物質嗎?宇宙中到底有多少暗物質,地球附近有嗎?

現在科學界比較準確的說法是, 宇宙總質能中, 只有4.9%的可見物質。 也就是我們看得見的星系、星雲塵埃、恒星、行星等只占宇宙總質能的4.9%, 還有95.1%, 是26.8%的暗物質和68.3%的暗能量。

這樣說來, 可見物質和暗物質占宇宙質能比重加起來就是31.7%, 但暗物質一般劃歸為物質, 暗能量劃歸為能量。 這樣暗物質就與可見物質一起屬於物質範疇, 因此, 在宇宙中物質品質的比重是, 暗物質占84.5%, 可見物質占15.5%。

既然暗物質是可見物質的近5.5倍, 而且是很微小的物質, 這樣在宇宙中當然就到處彌漫無所不在了。 我們地球上當然也有, 而且一伸手就接觸或穿越了無數暗物質粒子, 也可以說這個世界任何物質都浸泡在暗物質海洋中, 只不過我們感覺不到而已。

中微子是暗物質嗎?

剛開始發現中微子時, 曾經有人以為找到暗物質了。 不過高興得有點早, 後來發現中微子還是有跡可循。

中微子也是幾乎不與任何物質發生作用, 因此我們的身體每時每刻, 不管是醒著還是睡著, 每秒鐘都有來自太陽的約1000萬億個中微子穿越身體, 我們毫無感覺。 中微子穿越地球都毫不費力, 因此穿越我們身體毫無感覺就一點也不奇怪了。

但中微子並非完全隱形,

夜路走多了還是會留下點蛛絲馬跡。 研究發現, 在100億個中微子中, 會有一個中微子與物質發生作用, 這就給人類捕捉這個精靈留下了把柄。

要知道, 人體每秒鐘都有1000萬億個中微子穿越, 也就是說有每秒有10萬個中微子會與身體裡的亞原子粒子發生作用,

每秒鐘有10萬次反應還不好查?

且慢, 沒那麼容易, 要知道中微子是比電子還小, 體積接近光量子的極微小粒子, 即便與物質發生作用能量也是極其微弱的, 而且在宇宙空間有各種各樣的宇宙射線和粒子襲擊我們以及地表物體, 甚至可以穿越較深底層, 如何辨別這些微弱反應是中微子呢?

於是人們想了個辦法, 將中微子探測裝置埋在了地層深處, 一般深達1000米以上。 在這種深處, 一般帶電粒子早就會與其他物質發生反應, 其他的宇宙輻射就完全過濾掉了。 而中微子可以任意穿越地球, 因此再深對它都毫無影響。

即便如此, 要找到中微子也是很困難的, 因為中微子只參與非常微弱的弱相互作用和引力相互作用, 與物質的交互作用太微弱了。 人們只能採用大海撈針和間接的方法來探測, 比如超級神岡探測器。

這是日本和美國合作的一個專案,由120名研究人員共同維護監測。中微子探測裝置安裝在深達1千多米一座廢棄的鋅礦坑中,這裡設置了一個巨大水池,裝有5萬噸水,周圍放置了1.3萬個光電倍增管探測器。

由於水中氫原子數量極其巨大,當大量中微子通過這個水槽時,撞擊到氫原子的幾率很高,這種撞擊被周圍的光電倍增管捕獲、放大,並轉換成數位信號送入電腦,科學家們就可以分析了。

世界上許多國家,包括中國都建立了中微子研究探測機構,這些探測方法多種多樣,有在太空的,有在湖底的,還有在南極厚厚冰層下面的(上圖)。通過這種大海撈針,天羅地網的大量探測與實驗,中微子終於現了形,人們知道中微子有三種,即電子中微子、μ(繆子)中微子和τ(陶子)中微子。

雖然中微子依然還有許多謎團尚未解開,但隨著中微子研究的深入,也就越來越證明中微子並非暗物質,且相比暗物質,中微子在宇宙中所占比重太小了,只占宇宙總質能的0.0034%,有點像地球在太陽系裡的比重。相對暗物質比重26.8%,差距太大。

那麼暗物質到底是什麼,既然看不見摸不著,為啥又會被科學家堅定地認為其存在呢?

暗物質存在的證據

我們看不到摸不著暗物質,是因為暗物質不帶電,不參與任何物質作用,就無法顯形。也正是暗物質不顯形,也不參與各種物質相互作用,包括光子,因此不會影響人們對遙遠天體的觀測。

那麼為什麼科學家們又那麼肯定暗物質存在呢?這是因為人們發現暗物質唯一參與的作用是引力,也就是說暗物質有引力作用,這樣它就露出了馬腳。

我們都知道,引力大小是與品質成正比,與距離平方成反比的,根據牛頓萬有引力定律F=GMm/r^2的公式,我們就可以計算出一個天體乃至一個星系的引力大小。而天體運行是遵循引力定律的,但科學家們很早就發現,星系或星團的運動狀態,完全不是可見物質的引力規律能夠解釋的。

1922年,天文學家卡普坦就通過星體系統運動,間接推斷出星體周圍可能存在不可見物質;1933年,天體物理學家茲威基利用光譜紅移法,測量了後發座星系團中各個星團的運動速度和狀態,發現星系運動速度彌散度太高,如果僅靠看得見的星系品質產生的引力是無法將這些星系束縛在星系團中的,這些星系團將分崩離析。

由此斷定星系團中存在著大量的暗物質,其品質是可見星系團的至少百倍以上。

後來的許多天體研究都支持了這種說法,越來越多的觀測證據,包括引力透鏡、微波背景輻射的各向異性、星系團中熾熱氣體溫度分佈狀態等等,都支援了在看不見的空間,有某種物質起著重大作用,人們就把這種看不見摸不著但能夠感覺到的物質,稱為“暗物質”。

只有把這種假設“暗物質”填充進這些觀測發現中,計算結果才會符合引力定律。這樣,暗物質理論越來越被全世界天文學和宇宙學界認可。

暗物質分佈

暗物質是在宇宙中均勻分佈還是不均勻分佈呢?幾十年來,天文學家們在不斷探索瞭解這種宇宙主體物質的性質同時,也在力圖繪製出它們在宇宙中的分佈圖。

現在這方面的成果很多,如發表在《天體物理學雜誌》上的一項成果認為,通過“先進測繪照相機”對遠方星系群觀測,通過發現的引力透鏡現象,顯示出兩個星系簇在暗物質的網路包圍中,處於暗物質最密集的地方,就好比海浪頂端的泡沫。

2019年1月發表在英國《皇家天文學會月刊》的一篇論文,兩位來自澳大利亞和西班牙天文學家,分析了基於哈勃太空望遠鏡的觀測資料,得出一種探測星系團中暗物質的革命性新方法,可以通過星系團中某些微弱的光變,反映出暗物質的空間分佈。

這些觀測研究,都說明了暗物質在宇宙中的分佈是不均勻的,尤其是在星系團和星系恒星密集的地方,暗物質更為集中。這也符合理論預測,因為如果暗物質真的是在宇宙中完全均勻分佈,那就不會出現影響星系和星系團引力的現象了。

暗物質的存在當然比空氣稀薄多了,但由於宇宙空間巨大,可見物質只佔有其中極小一部分體積,空間絕大部分體積都是被暗物質填充,因此在大尺度宇宙空間,暗物質的品質遠遠超過可見物質。

這就是在一個星系或巨大星系團中,其引力遠遠超過可見物質應有引力的原因。引力讓物質聚集收縮,因此暗物質的巨大引力克服了星系運動速度形成的彌散度,讓一個個星系能夠維持成團的樣子。

暗能量和暗物質的博弈

在這些看不見的暗物質和暗能量中,暗能量主導著宇宙膨脹,暗物質主導著物質收縮,我們的宇宙就是在這種博弈中變化的。現在由於暗能量佔據著主導力量,因此宇宙還在加速膨脹,這是如今天文學界的普遍共識。

相對於佔據宇宙總質能68.3%的暗能量,暗物質的尺度又小多了。因此暗能量是基於更大宇宙尺度的力量,是作用於宇宙整體的力量;而暗物質則是在星系、星系團這種相對中等尺度上,發揮引力凝聚作用的。

而在一個恒星系統,如太陽系,或者一個行星系統,如地月系,可見物質的引力才佔據主導地位,暗物質的作用就極小了,幾乎可以忽略不計。這就是我們雖然沉浸在暗物質包圍的海洋中,隨手一揮都有無數個暗物質穿透我們,但我們毫無察覺的原因。

試想,連可以與物質發生極微量作用的中微子,我們都無法察覺,何況暗物質乎?

現在,探測和解開暗物質、暗能量之謎,是全世界科學界的重中之重。因為解開這個謎,對宇宙的過去和未來走向,乃至地球走向人類走向,都有著至關重要的作用。弄清楚這個宇宙規律,將是人類文明發展的一次重大突破和升級。

這是日本和美國合作的一個專案,由120名研究人員共同維護監測。中微子探測裝置安裝在深達1千多米一座廢棄的鋅礦坑中,這裡設置了一個巨大水池,裝有5萬噸水,周圍放置了1.3萬個光電倍增管探測器。

由於水中氫原子數量極其巨大,當大量中微子通過這個水槽時,撞擊到氫原子的幾率很高,這種撞擊被周圍的光電倍增管捕獲、放大,並轉換成數位信號送入電腦,科學家們就可以分析了。

世界上許多國家,包括中國都建立了中微子研究探測機構,這些探測方法多種多樣,有在太空的,有在湖底的,還有在南極厚厚冰層下面的(上圖)。通過這種大海撈針,天羅地網的大量探測與實驗,中微子終於現了形,人們知道中微子有三種,即電子中微子、μ(繆子)中微子和τ(陶子)中微子。

雖然中微子依然還有許多謎團尚未解開,但隨著中微子研究的深入,也就越來越證明中微子並非暗物質,且相比暗物質,中微子在宇宙中所占比重太小了,只占宇宙總質能的0.0034%,有點像地球在太陽系裡的比重。相對暗物質比重26.8%,差距太大。

那麼暗物質到底是什麼,既然看不見摸不著,為啥又會被科學家堅定地認為其存在呢?

暗物質存在的證據

我們看不到摸不著暗物質,是因為暗物質不帶電,不參與任何物質作用,就無法顯形。也正是暗物質不顯形,也不參與各種物質相互作用,包括光子,因此不會影響人們對遙遠天體的觀測。

那麼為什麼科學家們又那麼肯定暗物質存在呢?這是因為人們發現暗物質唯一參與的作用是引力,也就是說暗物質有引力作用,這樣它就露出了馬腳。

我們都知道,引力大小是與品質成正比,與距離平方成反比的,根據牛頓萬有引力定律F=GMm/r^2的公式,我們就可以計算出一個天體乃至一個星系的引力大小。而天體運行是遵循引力定律的,但科學家們很早就發現,星系或星團的運動狀態,完全不是可見物質的引力規律能夠解釋的。

1922年,天文學家卡普坦就通過星體系統運動,間接推斷出星體周圍可能存在不可見物質;1933年,天體物理學家茲威基利用光譜紅移法,測量了後發座星系團中各個星團的運動速度和狀態,發現星系運動速度彌散度太高,如果僅靠看得見的星系品質產生的引力是無法將這些星系束縛在星系團中的,這些星系團將分崩離析。

由此斷定星系團中存在著大量的暗物質,其品質是可見星系團的至少百倍以上。

後來的許多天體研究都支持了這種說法,越來越多的觀測證據,包括引力透鏡、微波背景輻射的各向異性、星系團中熾熱氣體溫度分佈狀態等等,都支援了在看不見的空間,有某種物質起著重大作用,人們就把這種看不見摸不著但能夠感覺到的物質,稱為“暗物質”。

只有把這種假設“暗物質”填充進這些觀測發現中,計算結果才會符合引力定律。這樣,暗物質理論越來越被全世界天文學和宇宙學界認可。

暗物質分佈

暗物質是在宇宙中均勻分佈還是不均勻分佈呢?幾十年來,天文學家們在不斷探索瞭解這種宇宙主體物質的性質同時,也在力圖繪製出它們在宇宙中的分佈圖。

現在這方面的成果很多,如發表在《天體物理學雜誌》上的一項成果認為,通過“先進測繪照相機”對遠方星系群觀測,通過發現的引力透鏡現象,顯示出兩個星系簇在暗物質的網路包圍中,處於暗物質最密集的地方,就好比海浪頂端的泡沫。

2019年1月發表在英國《皇家天文學會月刊》的一篇論文,兩位來自澳大利亞和西班牙天文學家,分析了基於哈勃太空望遠鏡的觀測資料,得出一種探測星系團中暗物質的革命性新方法,可以通過星系團中某些微弱的光變,反映出暗物質的空間分佈。

這些觀測研究,都說明了暗物質在宇宙中的分佈是不均勻的,尤其是在星系團和星系恒星密集的地方,暗物質更為集中。這也符合理論預測,因為如果暗物質真的是在宇宙中完全均勻分佈,那就不會出現影響星系和星系團引力的現象了。

暗物質的存在當然比空氣稀薄多了,但由於宇宙空間巨大,可見物質只佔有其中極小一部分體積,空間絕大部分體積都是被暗物質填充,因此在大尺度宇宙空間,暗物質的品質遠遠超過可見物質。

這就是在一個星系或巨大星系團中,其引力遠遠超過可見物質應有引力的原因。引力讓物質聚集收縮,因此暗物質的巨大引力克服了星系運動速度形成的彌散度,讓一個個星系能夠維持成團的樣子。

暗能量和暗物質的博弈

在這些看不見的暗物質和暗能量中,暗能量主導著宇宙膨脹,暗物質主導著物質收縮,我們的宇宙就是在這種博弈中變化的。現在由於暗能量佔據著主導力量,因此宇宙還在加速膨脹,這是如今天文學界的普遍共識。

相對於佔據宇宙總質能68.3%的暗能量,暗物質的尺度又小多了。因此暗能量是基於更大宇宙尺度的力量,是作用於宇宙整體的力量;而暗物質則是在星系、星系團這種相對中等尺度上,發揮引力凝聚作用的。

而在一個恒星系統,如太陽系,或者一個行星系統,如地月系,可見物質的引力才佔據主導地位,暗物質的作用就極小了,幾乎可以忽略不計。這就是我們雖然沉浸在暗物質包圍的海洋中,隨手一揮都有無數個暗物質穿透我們,但我們毫無察覺的原因。

試想,連可以與物質發生極微量作用的中微子,我們都無法察覺,何況暗物質乎?

現在,探測和解開暗物質、暗能量之謎,是全世界科學界的重中之重。因為解開這個謎,對宇宙的過去和未來走向,乃至地球走向人類走向,都有著至關重要的作用。弄清楚這個宇宙規律,將是人類文明發展的一次重大突破和升級。

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