暗物质gydF4y2Ba
可见的恒星并不是太空中唯一的物质;事实上,宇宙中的大部分物质都被称为gydF4y2Ba暗物质gydF4y2Ba因为它不能被直接观察到。相反,天文学家和宇宙学家推断暗物质的存在是因为暗物质对可见物质的引力影响。解释宇宙中暗物质的物理性质和空间分布是当代物理学的主要开放问题之一。gydF4y2Ba
一般来说,宇宙中的物质可以分为两类:gydF4y2Ba发光物质gydF4y2Ba它发射和吸收光,而暗物质既不吸收也不发射光。发光物质可以是恒星、星云中的发光气体,甚至是行星,但不论其形式如何,所有已知的发光物质都是由粒子组成的gydF4y2Ba标准模型gydF4y2Ba夸克、电子、光子等等。相比之下,还不知道是什么样的粒子组成了暗物质。一些理论预测,暗物质实际上是由普通形式的物质组成的,但由于某种原因无法探测到,而另一些理论则通过假设的粒子,如超对称粒子,来解释暗物质奇怪的引力特征gydF4y2Ba弦理论gydF4y2Ba或者是gydF4y2BaaxiongydF4y2Ba.主要的宇宙学理论,叫做gydF4y2Ba 模型,预测暗物质以一些未被发现的形式存在gydF4y2Ba弱相互作用大质量粒子gydF4y2Ba或gydF4y2Ba懦弱的人gydF4y2Ba为短。gydF4y2Ba
绘制宇宙中发光物质的数量和分布并不构成技术挑战:毕竟,以视觉方式记录天空中恒星的数量和位置是很容易的。要计算出暗物质的数量和分布要困难得多。一些望远镜和卫星通过观察暗物质如何影响我们从发光物质中看到的光来绘制暗物质的分布地图。其他望远镜则在寻找暗物质可能由什么构成的信号。粒子加速器和其他实验也试图创造和测量地球上的暗物质。gydF4y2Ba
星系中可见物质的分布gydF4y2Ba
对暗物质本质的研究始于对gydF4y2Ba可见gydF4y2Ba物质,因为暗物质是通过与可见物质产生的引力效应的偏差来确定的;具体来说,就是在牛顿引力的背景下观察星系中的恒星。由于像银河系这样的螺旋星系中的恒星围绕它们所属星系的中心运行,所以星系中心的质量一定比单个恒星的质量大得多。螺旋星系实际上有一个很大的gydF4y2Ba胀gydF4y2Ba星系中恒星围绕其公转的中心质量。凸起的外面是银河gydF4y2Ba磁盘gydF4y2Ba组成的gydF4y2Ba旋臂gydF4y2Ba最后一个gydF4y2Ba晕gydF4y2Ba周围的星系。gydF4y2Ba
关于圆盘和光晕外部可见物质分布的知识对于预测暗物质的存在是至关重要的。由于可见物质是发光的,可见物质的分布可以从gydF4y2Ba表面亮度gydF4y2Ba一个星系的曲线,它给出了星光的强度作为半径的函数。星系外凸起,表面明亮gydF4y2Ba 之前gydF4y2Ba指数gydF4y2Ba曲线:gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba 是一个强度单位的常数,取决于星系,和gydF4y2Ba 是一个近似的距离吗gydF4y2Ba 光年。一光年等于光在一年内传播的距离,等于5.88万亿英里或gydF4y2Ba .gydF4y2Ba
因为表面亮度告诉我们有多少颗恒星,表面密度gydF4y2Ba 离中心任意半径处的物质也有衰减,由相同形式的方程给出:gydF4y2Ba
再次,gydF4y2Ba 它的密度单位取决于星系。gydF4y2Ba
天文学家可以在大多数星系中观察到这种表面密度指数下降至少4到5倍gydF4y2Ba .通过测量发光物质的表面密度,物理学家可以测量星系中可见物质的数量和分布。gydF4y2Ba
预测星系中可见物质的行为gydF4y2Ba
星系中发光物质的表面密度公式表明,如果我们观察星系边缘的恒星,这些恒星轨道内的质量几乎等于整个星系的质量。这是因为表面密度的指数下降是,这意味着只有指数数的恒星,在大半径之外。因此,在中心凸起之外,当我们从星系中心向外移动(假设所有的物质都是发光的)时,在星系盘和星系晕的外缘吸引恒星的引力质量本质上是恒定的。gydF4y2Ba
尽管一个典型的恒星围绕星系隆起的轨道的半径远远大于太阳系中的距离,牛顿的万有引力定律仍然适用于恒星的轨道。牛顿引力的大小gydF4y2Ba 在一个质量恒星上gydF4y2Ba 在星系外的凸起是半径的函数gydF4y2Ba 从银河系的中心经过gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba 牛顿的引力常数和是多少gydF4y2Ba 是星系的总质量。gydF4y2Ba
假设这些恒星在围绕中心的圆形轨道上运动,它们受向心力的约束gydF4y2Ba
因为引力是使恒星保持在轨道上的唯一力量,所以它等于向心力。将两者等同起来,就得到了一个公式,计算这些遥远恒星的速度与半径的函数关系gydF4y2Ba 从银河系的中心:gydF4y2Ba
因此,星系中恒星的预期速度应该向星系的外边缘下降。gydF4y2Ba
天文学家有可能测量星系外围恒星在轨道运行时的速度,并将其与上述预测进行比较。这通常是用gydF4y2Ba多普勒频移gydF4y2Ba方法。与预测的速度分布的偏差是支持暗物质存在的天文证据的一个例子。gydF4y2Ba
如何用多普勒效应观测星系外边缘恒星的轨道速度?gydF4y2Ba
以太阳为例,它在白天似乎主要发出黄色的光。事实上,太阳发出许多不同颜色的光。使用棱镜,人们可以将明显是黄色的阳光分解成彩虹般的颜色。有趣的是,阳光中每种颜色的光谱在某些频率下都显示出一些暗间隙,如下图所示:gydF4y2Ba
黑线的出现是因为太阳的外层气体实际上吸收了某些颜色的光,阻止它们到达天文仪器和人类的眼睛。这些光谱线是所有恒星的特征,它们在可见光谱中的位置可以通过恒星中气体的存在来准确预测。gydF4y2Ba
通过测量一颗恒星的光谱,并将吸收线与它们应有的位置进行比较,就可以测量恒星的速度。当恒星向观测者移动时,暗线会移向光谱的蓝色端,反之亦然,如下图所示:gydF4y2Ba
天文学中的一个公式将红移或蓝移的大小与相关恒星的速度大小和方向联系起来。gydF4y2Ba
宇宙中暗物质的迹象gydF4y2Ba
利用多普勒频移技术,可以将观测到的围绕星系运行的恒星的速度与由牛顿引力预测的速度进行比较。这些预测的速度是基于一个星系中所有的发光质量,通过测量发光物质的表面密度。下图是一个典型的螺旋星系(通常被称为a),其观测到的远离星系隆起的恒星的旋转速度与半径的函数关系gydF4y2Ba星系旋转曲线gydF4y2Ba.径向距离以千秒差距为单位,其中1秒差距是3.26光年:gydF4y2Ba
这幅图表明,与实际速度相比,观测速度上的误差棒相当小。下面,将观测到的速度与牛顿的预测进行比较gydF4y2Ba ,其中曲线A为牛顿预测,曲线B为实验数据:gydF4y2Ba
上面曲线开始时的峰值是由于凸起中有大量的恒星。在中心凸起附近有很多恒星,以致于吸引距离星系中心半径为r的恒星的引力质量随着半径的变化而发生显著变化。gydF4y2Ba
然而,在凸起之外,观察到的曲线与预测的曲线完全不同,误差条也相当小。因此,这与牛顿的预测有很大的出入。由于对许多螺旋星系的观测是可重复的和直接的,而且牛顿定律是非常基础和易于理解的,牛顿推导的一个基本假设肯定是错误的。最广为接受的假设是,修正了预测的速度图,使其与观测到的速度图相匹配,即星系中的大部分物质实际上不是发光物质,而是暗物质。gydF4y2Ba
重要的是,暗物质的分布不能遵循与发光物质相同的分布。暗物质的分布必须与星系边缘的平面旋转曲线相匹配。暗物质通常被建模为星系周围的光晕,它不将自己排列成圆盘,而是在形状上更类似于球体。gydF4y2Ba
上述结果是物理学家相信暗物质存在的主要原因之一:通过将暗物质添加到你的星系中,预测的旋转曲线与实验相符。构建具有这种密度剖面的暗物质仍然是一个活跃的研究领域,但对于星系边缘附近存在额外的、看不见的物质几乎没有争议。gydF4y2Ba
星系旋转曲线并不是暗物质存在的唯一观测证据。另一个不能用观测到的发光物质的数量来解释的效应是gydF4y2Ba引力透镜效应gydF4y2Ba来自某些星系的光。gydF4y2Ba广义相对论gydF4y2Ba预言光在引力源附近弯曲。然而,天文观测显示,在宇宙的某些区域,来自遥远星系的光甚至在那些似乎没有任何发光物质的区域也会发生弯曲。其他已被接受的暗物质证据包括宇宙微波背景辐射的特征特征,这种辐射渗透到宇宙中,以及早期宇宙星系形成的最佳模型所依赖的物质数量要比我们在宇宙中探测到的发光物质多得多。gydF4y2Ba
参考文献gydF4y2Ba
[1]图片来自https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ee/VLT_image_of_the_spiral_galaxy_NGC_1187.jpg,使用了创作共用许可,供重用和修改。gydF4y2Ba
[2]图片来自https://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_lines#/media/File:Fraunhofer_lines.svg,使用了创作共用许可,供重用和修改。gydF4y2Ba
[3]图片由Nick Strobel在www.astronomynotes.com提供。gydF4y2Ba
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[5]螺旋星系的扩展旋转曲线-暗晕和修正动力学。Begemen, K Broeils AH, Sanders RH。1991年,《皇家天文学会月报》,第249卷,4月1日,p。523 - 537。gydF4y2Ba
[6]图片来自https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/51/Hubble_image_of_the_galaxy_cluster_Abell_3827.jpg,使用了创作共用许可,供重用和修改。gydF4y2Ba