暗物質_EslibRaRy

#.iboygjn"暗物質閱讀：202010-10-05 23:25標籤：雜談在宇宙學中，暗物質(又稱暗質)，是指無法通過電磁波的觀測進行研究，換言之，不與電磁力產生作用的物質。人們目前只能通過重力產生的效應得知，或說發現，宇宙中有大量暗物質的存在。現代天文學通過重力透鏡、宇宙中大尺度結構的形成、微波背景輻射等研究表明：我們目前所認知的部分，即重子(加上電子)，大隻占宇宙的4％，而暗物質則佔了宇宙的23%，還有73%是一種導致宇宙加速膨脹的暗能量。暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性，對結構形成也非常地關鍵。暗物質很有可能是一種（或幾種）粒子物理標準模型以外的新粒子所構成。對暗物質(和暗能量)的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。暗物質存在的證據最早提出證據並推斷暗物質存在的是1930年代荷蘭科學家Jan Oort與美國加州工學院的瑞士天文學家弗里茨·茲威基等人。弗里茨·茲威基觀測螺旋星系旋轉速度時，發現星系外側的旋轉速度較牛頓重力預期的快，故推測必有數量龐大的質能拉住星系外側組成，以使其不致因過大的離心力而脫離星系。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。雖然暗物質在宇宙中大量存在是一個普遍的看法，但是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。暗物質的組成及理論模型星系轉動曲線、引力透鏡、結構形成、星系團中重子成分和結合星系團丰度與重子密度證據表明了宇宙中85-90%的質量不帶有電磁相互作用。這些暗物質只通過引力作用而顯現它們的存在。以下是人們提出的一些不同類型的暗物質：熱暗物質溫暗物質冷暗物質重子暗物質在眾多可能是組成暗物質的成分中，最熱門的要屬一種被稱為大質量弱相互作用粒子（英文叫做Weakly Interacting Massive Particle，簡稱WIMP）的新粒子了。這種粒子與普通物質的作用非常微弱，以致於他們雖然存在於我們周圍，卻從來沒有被探測到過。還有一種被理論物理學家提出來解決強相互作用中CP問題，被稱為軸子（Axion）的新粒子，也很有可能是暗物質的成分之一。惰性中微子（sterile neutrino）也有可能是組成暗物質的一種成分。暗物質的探測暗物質的探測在當代粒子物理及天體物理領域是一個很熱門的研究領域。對於大質量弱相互作用粒子來說，物理學家可能通過放置在地下實驗室，背景信號減少到極低的探測器直接探測WIMP，也可以通過地面或太空望遠鏡對這種粒子在星系中心，太陽中心或者地球中心湮滅產生的其他粒子來間接探測。人們也希望歐洲大型強子對撞器(LHC)或者未來的國際直線加速器中人工創造出這些新粒子來。暗物質假說　　長久以來，最被看好的暗物質僅僅是假說中的基本暗性粒子，它具有壽命長、溫度低、無碰撞的特殊特性。溫度低意味著在脫耦時它們是非相對論性粒子，只有這樣它們才能在引力作用下迅速成團。壽命長意味著它的壽命必須與現今宇宙年齡相當，甚至更長。由於成團過程發生在比哈勃視界（宇宙年齡與光速的乘積）小的範圍內，而且這一視界相對現在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物質團塊或者暗物質暈比銀河系的尺度要小得多，質量也要小得多。隨著宇宙的膨脹和哈勃視界的增大，這些最先形成的小暗物質暈會合併形成較大尺度的結構，而這些較大尺度的結構之後又會合併形成更大尺度的結構。其結果就是形成不同體積和質量的結構體系，定性上這是與觀測相一致的。相反的，對於相對論性粒子，例如中微子，在物質引力成團的時期由於其運動速度過快而無法形成我們觀測到的結構。因此中微子對暗物質質量密度的貢獻是可以忽略的。在太陽中微子實驗中對中微子質量的測量結果也支持了這一點。無碰撞指的是暗物質粒子（與暗物質和普通物質）的相互作用截面在暗物質暈中小的可以忽略不計。這些粒子僅僅依靠引力來束縛住對方，並且在暗物質暈中以一個較寬的軌道偏心律譜無阻礙的作軌道運動。低溫無碰撞暗物質　　低溫無碰撞暗物質（CCDM）被看好有幾方面的原因。第一，CCDM的結構形成數值模擬結果與觀測相一致。第二，作為一個特殊的亞類，弱相互作用大質量粒子（WIMP）可以很好的解釋其在宇宙中的丰度。如果粒子間相互作用很弱，那麼在宇宙最初的萬億分之一秒它們是處於熱平衡的。之後，由於湮滅它們開始脫離平衡。根據其相互作用截面估計，這些物質的能量密度大約佔了宇宙總能量密度的20-30%。這與觀測相符。CCDM被看好的第三個原因是，在一些理論模型中預言了一些非常有吸引力的候選粒子。中性子　　其中一個候選者就是中性子（neutralino），一種超對稱模型中提出的粒子。超對稱理論是超引力和超弦理論的基礎，它要求每一個已知的費米子都要有一個伴隨的玻色子（尚未觀測到），同時每一個玻色子也要有一個伴隨的費米子。如果超對稱依然保持到今天，伴隨粒子將都具有相同質量。但是由於在宇宙的早期超對稱出現了自發的破缺，於是今天伴隨粒子的質量也出現了變化。而且，大部分超對稱伴隨粒子是不穩定的，在超對稱出現破缺之後不久就發生了衰變。但是，有一種最輕的伴隨粒子（質量在100GeV的數量級）由於其自身的對稱性避免了衰變的發生。在最簡單模型中，這些粒子是呈電中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候選者。如果暗物質是由中性子組成的，那麼當地球穿過太陽附近的暗物質時，地下的探測器就能探測到這些粒子。另外有一點必須注意，這一探測並不能說明暗物質主要就是由WIMP構成的。現在的實驗還無法確定WIMP究竟是佔了暗物質的大部分還是僅僅只佔一小部分。軸子　　另一個候選者是軸子（axion），一種非常輕的中性粒子（其質量在1μeV的數量級上），它在大統一理論中起了重要的作用。軸子間通過極微小的力相互作用，由此它無法處於熱平衡狀態，因此不能很好的解釋它在宇宙中的丰度。在宇宙中，軸子處於低溫玻色子凝聚狀態，現在已經建造了軸子探測器，探測工作也正在進行。超弦子　　單位空間（即無限分之一體積）內產生物質的概率是二分之一，產生的物質叫「虛子」。為什麼叫「虛子」呢？因為它的壽命只有無限分之一。虛子的運動速度為C（光速）。　　「超弦子」定義：相對於「虛子」的「實子」叫「超弦子」，超弦子的壽命可以達到無限。怎樣才能產生超弦子呢？相鄰任意個單位體積同時產生「虛子」，才能產生形狀固定的超弦子。各個虛子的速度方向是不同的，所以超弦子一產生就有自旋！　　產生的超弦子如果遇到其他超弦子，會有三種情況：　　1，互相撞碎，同歸於盡，消失。（註：只有同時存在才能永遠存在，超弦子被撞掉一點，整個就會消失）　　2，由於萬有引力和其他超弦子結合。同時改變速度和自旋！　　3，不是有效撞擊，相碰後「各奔前程」，改變自旋與速度！　　請注意：產生的各種各樣的超弦子像被燒過的磚一樣，是一個整體，本身形狀已經不能改變。一維的超弦子不能存在，二維同理，所以超弦子是三維的。　　關於超弦子的質量：N個單位體積產生的超弦子的基礎質量為2的N次方。根據超弦子的對稱性大小，會增加額外的質量。質量越大，強度越大。不同的質量對應不同的極限速度。（註：2的N次方只是一個隨便的指數，具體指數大小得由數學家去計算）。黑洞就是由質量巨大的超弦子形成的。物質掉進黑洞的速度是可以超光速的。什麼是暗物質和亮物質　　現在說明什麼是暗物質和亮物質：超對稱的超弦子（即球狀的超弦子）叫亮物質，其他形狀的超弦子叫暗物質。　　暗物質的兩個特點：　　1，不帶電荷。　　2，透明（即光子可以通過）。　　因為暗物質形狀不規則，所以形成暗物質的概率比形成亮物質的概率大得多，所以暗物質比亮物質多得多。
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