宇宙是「人為創造」的證據?顛覆科學認知的暗物質!竟是生命誕生的基礎?

漫酱~ 2023/01/06 檢舉 我要評論

宇宙是「人為制造」的?為何會存在科學無法解釋的「暗物質」?暗物質又究竟是什麼?人類為了尋找暗物質存在的證據,科學家們在過去的幾十年當中進行了超過50次的長期實驗,但是卻沒有發現任何的有效證據。除了一個地方,在1687年出版的自然哲學數學原理一書中,埃薩克牛頓發表了萬有引力定律,它揭示了宇宙中天體運動的規律。

往后的幾百年來,當天文學家們發現某些天體運行軌道出現異常,不符合萬有引力定律的時候,他們就會知道,周圍一定有未知的天體通過引力在攝動它的軌道。比如在1846年,奧本勒維耶就通過天王星運行軌道的異常,推算并且發現了海王星的存在。另外,哈雷彗星、冥王星的發現都是應用萬有引力定律所取得重大天文成就的例子。但是這些發現都是在恒星系統的尺度當中,可當我們上升到星系或者是星團的尺度,事情就開始變得詭異了。

1933年,瑞士的物理學家弗里茨茲威基正在研究和測量后發星系團的質量。這是一個由數千個星系所組成的巨大星系團,這些星系被引力束縛在一起。測量星系團的質量一般會使用到兩種方法,當兩種方法結果一致,就可以確定其質量的范圍。第一種是獲得其「光度學的質量」,需要的數據是測量各個星系的光度。第二種是動力學質量的計算,是利用光譜紅移測量星系團中的各個星系相對于星系團的運動速度。

當測量結果出來之后,茲威基徹底懵了,「動力學質量」竟然是「光度學質量」的400倍。這意味著,后發座星系團有99%的質量消失了,或者說這99%的質量并不以可見光的形式所存在,我們無法看到。最詭異的是,在測量速度的過程中,茲威基發現星系團中很多星系的速度比理論上要快得多,按照牛頓的運動學定律,僅靠這些可見星系的質量所產生的引力是無法將它們束縛在星系團內的,它們早就應該被拋出星系團之外了,除非有一種神秘的力量在起作用,這種力量來源于某種隱形的物質。

據此,茲維基提出了這樣部分不可見的暗質,它不發散光、吸光、反射光,但是它們卻占據著宇宙中絕大部分的質量。只是當時的人們對這樣的一種說法不屑一顧。直到40年之后,「暗物質」這個詞才再一次出現。天文學家維拉魯賓和肯特福特在觀測仙女座星系中的恒星運動。理論上來說,距離中心越遠的恒星在其軌道上的運行速度就會越慢。但是他們觀測的結果卻讓人感到不可思議。

隨著與中心距離的增加,恒星的旋轉速度幾乎保持不變。可是根據牛頓的萬有引力定律,在星系當中如果沒有足夠大的質量來吸引它們,這些外圍的恒星早就被甩到宇宙當中了。基于這種現象,科學家們會使用一種相對標準的方法來解釋暗物質的存在,這種方法就是測量星系當中氣體在X軸上距離星系中心的距離,以及在Y軸上氣體的旋轉速度。如果出現異常的結果,就認為是由暗物質的力量進入其中。

于是科學家們通過射電望遠鏡測量了距離星系中心更遠距離的氫元素,發現它們的旋轉速度并不符合牛頓的力學定律。我們的太陽系也不例外,太陽系位于銀河系的第三懸臂之上,距離銀河系中心2.6萬光年,根據萬有引力定律進行計算,太陽系的運行速度應該是160千米/秒,但實際上,太陽系正在以220千米/秒的速度圍繞銀河系旋轉,這個實際速度遠遠大于理論速度,那麼產生以上這種向心加速度的原因很可能就是存在著一種我們看不到的物質,是這些暗物質的引力效應將星系聚集在了一起。

也是從這時開始,越來越多的研究人員開始相信暗物質的存在。科學家根據星系外恒星軌道的速度,估算在星系當中暗物質的質量占整個星系質量的85%。但是,暗物質并不是唯一可以解釋這個現象的原因。在一項新的研究當中,科學家們發現,幾乎沒有引力效應的遙遠恒星之間,也會出現速度上的微小差異。另外,天文學家還發現了一個反常的星系,叫做Agc114905。這個星系距離地球大約2.5億光年,大小和銀河系不多,但是星系當中存在的恒星數量卻只有銀河系的千分之一。

所以在理論上,該星系必須存在暗物質,否則就會分崩離析。但是科學家們使用最先進的望遠鏡對其進行了40個小時的詳細測量之后,發現星系中的恒星運動是可以用正常的物質和力學定律來解釋的。那麼又有人提出,也許該星系的暗物質,已經被附近的另一個大星系剝離了。奇怪的是,它的附近沒有任何星系存在。造成這些現象的除了暗物質的假說之外,另一種可能就是人類對引力的理解還不夠全面,引力很可能在不同尺度空間中的工作方式是不同的,這意味著在行星系尺度中的天體會沿著它們的軌道,按照我們所理解的方式運動。

但是上升到星系和星團的尺度,引力之間的相互作用則是不同的方式。對于在星系團之間的相互作用,科學家還引入了外部場效應的概念,指的是在數百萬光年的規模上,巨大的質量之間會產生對彼此特殊的效果,這個理論叫做MOND蒙德理論。如果MOND蒙德理論成立,這意味著我們需要對現在的物理定律進行修正,這些發現也讓很多人認為暗物質假說理論就此終結。但是在宇宙當中還有關于暗物質存在的其他的理論證據,這些理論證據是蒙德理論所沒法解釋的「引力透鏡」。

徑向距離為37億光年的子彈星系團,由兩個碰撞的星系團所組成,類似這樣的星團,它們大部分的普通質量都在星系的氣體當中。當星團以1000萬公里/小時發生碰撞的時候,星際氣體的相互作用就會導致溫度的急劇升高,速度大幅降低。所以在理論上,在碰撞之后,子彈星系團大部分的質量將位于所有這些氣體所在的中間區域。那麼我們通過什麼來驗證它的質量區域到底是不是集中在中間呢?

前不久,詹姆斯韋伯太空望遠鏡傳回了宇宙當中第一張全彩的高清照片,在照片中我們可以明顯地看到很多星系似乎被拉伸產生了巨大的形變。其實這些星系本身并不是真的被扭曲了,也不是韋伯望遠鏡出了什麼問題,而是這樣極遙遠的天體和我們地球上的觀測者之間。被一個質量超級巨大的天體遮擋,這個超大質量的東西的引力,會使身后更遙遠星系的光都發生了扭曲。這個現象就是引力透鏡效應。

這個巨大的天體可能是超大質量的黑洞或者是暗物質。所以當人們對子彈星系團觀測的時候,發現它的大質量區域并不是在中間,而是在兩側。所以最好的解釋方法就是當星團發生全部的碰撞時,可被觀測到的質量氣體被卡在了中間,暗物質則直接通過了這個區域,并在兩邊形成了引力透鏡。對子彈星系團的引力透鏡研究也被認為是暗物質存在的迄今為止最好的理論證據。

除此之外,還有來自宇宙當中最古老的光。從宇宙大爆炸開始,38萬年之后,可見光終于可以暢通無阻地穿越在宇宙當中了。經過了130多億年之后,這些光在宇宙空間背景上留下了各相同性的微波輻射。其中紅色的部分表示溫度較高的區域,藍色則表示相對較冷的區域,但實際上它們之間的溫差只有萬分之一。科學家們通過對前景背景分離后的二值圖像進行連通域提取和標記之后發現,如果宇宙當中沒有暗物質,圖形看起來不應該是這樣的,而隨著暗物質的增加,一些峰值的幅度會減小,才變得看起來「和諧」。

為了匹配宇宙微波背景輻射的測量值,我們需要的暗物質大約是普通物質的5倍。這個數字與解釋星系當中恒星運動所需要的暗物質比例是一致的。這就意味著。用了一個簡單的理論框架,就很好地解釋了很多不同的觀測結果。而暗物質的本質就是宇宙當中存在著某種類型的粒子,它們不參與任何其他的電磁作用,只通過引力來相互作用。所以如果能夠找到這種粒子的存在,就相當于找到了暗物質存在的實際證據。這種粒子到底是什麼?

科學家們已經提出了數十種的假想目標,而要尋找這些不同的目標粒子所需要的實驗方式也不相同。在過去的幾十年當中,人類為了尋找這些看不見、摸不到,幾乎不會與常規物質相互作用的「暗物質」,科學家們已經進行了超過50次的實驗,卻沒有任何實質性的發現,除了一個地方,意大利的格蘭薩索山,隸屬于阿爾卑斯山脈。在山下1400米處的地下礦井當中,藏著地球上最大的地學實驗室,這個實驗室叫「DAMA/LIBRA」。這里有一個三層樓高的探測器,一直致力于尋找暗物質粒子的周期性震蕩。

自1997年以來,這里的科學家聲稱觀測到了某種信號。經過了20多年的數據收集,人們發現了一個有趣的事情。探測率會在每年的6月份達到峰值,然后在11月降到最低,而且在20年當中每年都是一樣。一些科學家認為這可能是人類發現暗物質的第一個直接證據。但是為什麼暗物質會產生周期性的年度信號呢?剛才我們講了太陽系正在以220公里/秒的速度圍繞著銀河系進行移動,那麼如果暗物質存在宇宙當中,這意味著我們也在以這樣的速度在穿越著暗物質流,這個過程中會產生相應的振蕩,同時地球又以30公里/秒的速度圍繞太陽進行旋轉。

所以有半年的時間,地球圍繞太陽的方向與太陽環繞銀河系的方向是一致的,而另外半年則與之相反。而在6月份的時候,地球與太陽的方向正好達到完全一致,這是理論上地球穿越暗物質流最快的時段。而在11月份,又恰好達到了最慢值。盡管在實際的情況中,太陽系相對銀河系的平面呈現了60度的傾斜,但是這并不影響這個理論的有效性。因此科學家認為這可以用來解釋,研究人員們所觀測到的周期性信號。當然也可能有其他的情況,造成這種年度周期信號的差異也可能是溫度、濕度、土壤中的水分、高山上的積雪,甚至連意大利游客的數量也符合這個周期的規律。

所以,科學家們又在南半球建立了一個幾乎相同的實驗室,這里的季節與之前的實驗室正好相反,而在這里,地球穿過暗物質流的運動特征和第一個實驗室是一樣的。因此,如果在這里可以得到相同的信號,就可以成為暗物質所存在的非常有力的證據了。但是由于這個實驗室剛剛建成不久,所以截至目前還無法提供相應的數據支持。另外,在2025年,NASA將會發射一台新的望遠鏡,這台太空望遠鏡叫做「南希格雷斯羅曼」,它的主鏡大小跟哈勃望遠鏡相同,但它的寬視場儀器提供的視野是哈勃紅外儀器的100倍。

南希格雷斯羅曼太空望遠鏡其中一個關鍵的用途就是探索暗物質背后的奧秘,對于探測的結果,我們只能拭目以待了。費米實驗室粒子天體物理中心的科學家丹琥珀和賈森斯特芬研究發現,如果暗物質存在,它們極有可能擁有另一種神秘的效應,這種暗物質效應,會支持宇宙當中生命的誕生,或者說是生命進化的一個重要因素。

如果這一理論得到進一步的證實,那麼遍布宇宙當中的暗物質會不會意味著人類并不孤單呢?或許在宇宙當中某個角落的行星上,暗物質正在通過這樣的效應創造生命。當然,這些推論的大前提是要先找到暗物質存在的實際證據。

搶先看最新趣聞請贊下面專頁
用戶評論
你可能會喜歡