点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:暗物质与人类的起源和结局有关?
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

暗物质与人类的起源和结局有关?

来源:光明网2020-02-11 11:53

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

    暗物质是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质,关于它,有着许多未解之谜,今天就跟随我们一起浅谈暗物质吧~

    什么是暗物质

    暗物质是为了解释观测与理论不匹配而提出的一个理论假设。在大量的天文学观测中,看上去与现有引力理论相悖的现象中,绝大部分可以通过假设暗物质的存在得以合理地解释。目前的天文学观测和地面物理实验表明:暗物质的基本性质是只参与宇宙中的引力相互作用,而不参与(或极其有限地参与)除引力作用之外的任何其他相互作用。

    简单来说,暗物质是一种我们可以通过引力感受到,但是几乎无法用电磁波直接探测到的物质。现代天文学通过天体动力学、引力透镜效应、微波背景辐射等观测结果证明暗物质大量的存在于星系、星团及宇宙的大尺度结构中,其总质量远大于宇宙中全部可见天体的总质质量,目前的数据表明:宇宙中暗物质大约占全部物质总质量的85%,占宇宙总质能的26%。

暗物质与人类的起源和结局有关?

图1: 宇宙学家们用超级计算机模拟的宇宙中暗物质分布图景,其中亮度表征着当地的暗物质密度,亮点为高密度区,星系和星系团将在这些高密度区中形成。图片来源:https://phys.org/news/2019-09-artificial-intelligence-probes-dark-universe.html

    最早提出暗物质可能存在的是天文学家雅克布斯·卡普坦(Jacobus Kapteyn),他于1922年提出可以通过研究天体系统的动力学性质,间接推断出星体周围可能存在的不可见物质。

    1933年,天体物理学家福瑞兹·兹威基(Fritz Zwicky)利用光谱红移测量了科玛星系团(Coma Cluster)中各个星系相对于星系团的运动速度,结合维里定理(Viral Theory),兹威基发现星系团中星系的速度弥散度远远高于理论预言,仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的,因此星系团中应该存在大量的不可见物质,即暗物质,其质量至少是可见星系的百倍以上。辛克莱尔·史密斯(Sinclair Smith)在1936年对室女星系团(Virgo Cluster)的观测也支持这一结论。 不过这一突破性的结论在当时未能引起学术界的重视。[1]

暗物质与人类的起源和结局有关?

    图2:仙女星系(Andromeda Galaxy)中恒星的旋转速度随距离的变化曲线。红色的曲线为无暗物质假设的理论预言,白色曲线为观测得到的曲线。两条曲线在远离星系中心时的不同被认为是暗物质存在的关键证据之一。图片来源:https://phys.org/news/2011-12-dark.html

    暗物质的观测证据

    随着天文观测技术的进步,越来越多暗物质存在的观测证据被天文学家发现。例如,1970年维拉·鲁宾(Vera Rubin)和肯特·福特(Kent Ford)利用高精度的光谱测量技术研究了仙女星系(Andromeda Galaxy)的恒星旋转速度和距离的关系[2],探测到的远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系表明:在相当大的范围内,星系外围的恒星旋转速度是恒定的,这与目前的引力理论根据可见物质所预言的星系旋转曲线无法匹配,这意味着星系中可能有大量的不可见物质,并且不仅仅分布在星系核心区 。

    另一个著名的暗物质存在证据是子弹头星系团的观测。2004年,马克西姆·马科维奇(Maxim Markevich)[3] 和道格拉斯·克劳(Douglas Clowe)[4] 发现合并星系团的x射线中心和引力中心存在着明显的偏移,前者反映着星系团中的主要常规可见物质的并合行为,而后者则反映着星系团中全部物质的并合行为,两者的偏差表明星系团中有大量非常规可见物质的存在。

暗物质与人类的起源和结局有关?

    图3:合并星系团中的热气体分布和总质量分布对比图。中间的红蓝色代表着热气体的分布,高亮度表征高密度区域;绿色等高线描述合并星系团的总质量分布。合并星系团中热气体中心和引力中心不重合是暗物质存在的另一个关键证据。图片来源:https://astrobites.org/2016/11/04/the-bullet-cluster-a-smoking-gun-for-dark-matter/

    暗物质与人类

    了解完暗物质的基本概念和历史后,你最可能要问:我知道,暗物质很酷,暗物质是宇宙中最多的物质,可是它和我的生活有什么关系呢?这是个非常好的问题,乍一看,暗物质也许和人们的日常生活没什么关系,但实际上,暗物质极有可能关系到人类最关心的两个问题:人类的起源和人类的结局。

    ◎暗物质与人类的起源

    暗物质决定了宇宙中星系的起源、形成与演化,也就是说,今天银河系的诞生、成长过程都受到暗物质的影响。天体物理学家们已经用数值模拟的方法研究了在没有暗物质存在的宇宙中[5],自引力系统的形成将非常困难,这种情况下,也许银河系尺度的星系会非常难以形成,这就极大地降低了宜居星系的数目,从而使类太阳系系统的形成概率大大降低,进而宜居带的类地行星也许就没有机会形成了,就更不要说人类了。可以说因为暗物质的存在才会有今天的我们出现。

暗物质与人类的起源和结局有关?

    图4:宇宙中存在(左)和几乎没有暗物质(右)时,计算宇宙学家们预言的宇宙中的质量分布,亮点代表高密度区域,即星系和星系团形成的区域。图片来源:https://www.ted.com/talks/risa_wechsler_the_search_for_dark_matter_and_what_we_ve_found_so_far?language=en

    ◎暗物质与人类的结局

    暗物质可能导致人类灭绝的论调听起来也许有些危言耸听,但是著名物理学家丽莎·兰德尔(Lisa Randall)在《暗物质与恐龙》[6]一书中详细地探讨了暗物质导致恐龙灭绝的可能性和基本原理:太阳系绕银河系中心运动时还会穿过银河系中的暗物质盘结构,这一过程产生的引力扰动会提高太阳系外围奥尔特星云中彗星的触发概率,从而在太阳系中产生更多的危险天体,因此大大地增加了危险星体撞击地球的概率。此过程会导致地球上因危险天体撞击而产生周期性的物种灭绝,恐龙的灭绝便是其中的一次。如果将来银河系中的暗物质导致彗星和地球相撞,一次不亚于恐龙灭绝的生态灾难也许真的会是我们的结局。

    兰德尔博士的理论是个有趣且大胆的尝试,尤其是关于『暗物质可以在银河系中形成盘状结构』的假设也是不同于主流暗物质模型的一次创新,不过科学家们依然需要用更优质的观测数据和更严谨的科学方法来证实或者证伪这个假设。暗物质到底是不是恐龙乃至人类灭绝的罪魁祸首?希望未来科学家们会告诉我们答案。

    总结

    暗物质是当今物理学的最重要最热点的问题之一,随着新的科学数据的到来,对它的研究将更加深入。从星系到整个宇宙学尺度,我们都有证据证明暗物质的存在,但是我们是否能找到它并且弄清楚它的本质?这将是接下来几十年里科学家们最主要的科学目标之一。希望这篇文章能让读者们简单地了解暗物质的概念和历史,以及暗物质与我们的联系,让我们一起为因研究暗物质而可能开启的物理学新时代做好准备。

    参考文献

    [1]History of dark matter, Bertone, Gianfranco; Hooper, Dan, 2018, Reviews of Modern Physics, Volume 90, Issue 4, id.045002

    [2]Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions, Rubin, Vera C.; Ford, W. Kent, Jr. , 1970, Astrophysical Journal, vol. 159, p.379

    [3]Direct Constraints on the Dark Matter Self-Interaction Cross Section from the Merging Galaxy Cluster 1E 0657-56, Markevitch M. et. al., 2004, The Astrophysical Journal, Volume 606, Issue 2, pp. 819-824.

    [4]A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter, Clowe D. et. al., 2006, The Astrophysical Journal, Volume 648, Issue 2, pp. L109-L113.

    [5]The search for dark matter — and what we've found so far, Risa Wechsler, 2019, TED@NAS

    [6]暗物质与恐龙--宇宙中的万物互联, 作者: [美] 丽莎·兰道尔, 译者:苟利军 / 李楠 / 尔欣中,2016, 浙江人民出版社

    作者简介:李楠,国家天文台副研究员。研究方向为引力透镜、宇宙学、以及机器学习在天体物理中的应用。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 文化遗产数字化论坛开幕倒计时1天

  • 倒计时1天!人工智能安全治理分论坛即将举行

独家策划

推荐阅读
人工智能的浪潮正在席卷从科技到教育,乃至全社会的各个角落,中国教育界正在积极推动学习和应用人工智能,以便乘势站在时代前列。今年6月,中国工程院院士、华中科技大学校长尤政提出,人工智能和批判性思维结合形成DNA式的“双螺旋结构”,将有力推动创新。
2025-09-16 09:14
15日,在2025年国家网络安全宣传周主论坛上,《人工智能安全治理框架》2.0版正式发布。落实《全球人工智能治理倡议》,《人工智能安全治理框架》1.0版于2024年9月发布,受到国内外广泛关注。
2025-09-16 09:13
光明日报北京9月15日电 记者陈晨从农业农村部获悉,2025畜禽种业发展论坛14日在北京市平谷区举行。论坛发布了第三次全国畜禽遗传资源普查、濒危畜禽遗传资源保护成效、主要畜种分子身份证构建和遗传评估优秀种公畜等重大成果,举办了畜禽种业振兴成果展,26家单位现场推介新技术、新设备、新成果,72家单位进行专场展示。
2025-09-16 09:13
数智技术以及数智互联技术将推进青年间社会化协同与知识共享,可精准连接青年学习者,并形成跨地域的学习社群与项目协作组。总而言之,数智技术能够为青年群体参与终身学习创造良好条件,能够充分激发青年群体参与终身学习的动力,能够更好地帮助青年群体全面发展。
2025-09-16 09:12
作者:王 珩、程松泉,分别系浙江师范大学教师教育学院教授;浙江师范大学教师教育学院博士生  当前,全球教育正经历一场由人工智能技术驱动的深刻变革。唯有坚守育人初心,在伦理框架内审慎推进技术应用,才能让人工智能真正成为引领教育发展的引擎,而非解构教育本质的飓风。
2025-09-16 09:11
在合成生物学和气候变化应对领域有巨大潜力。
2025-09-16 09:11
走进展区,多款新潮文创让人爱不释手;戴上设备,苏轼笔下的诗词世界任人遨游;指尖轻点,三千年前的青铜器“触手可及”……一系列新产品、新服务、新场景在2025年中国国际服务贸易交易会文旅服务专题亮相,漫步其中,处处感受到科技与创意奔涌、文化和旅游融合的无限活力。
2025-09-15 09:54
在2025年中国国际服务贸易交易会上,一批品类丰富、兼具趣味与文化内涵的文创精品成为展会现场的“人气王”,引爆观展热潮。
2025-09-15 09:54
最大网络基础设施的建成有助于我国突破关键技术的“卡脖子”困境,形成自主可控的核心技术优势,建立起数字经济产业的第二创新生态。 (作者:戎 珂,系清华大学社会科学学院经济学研究所所长、长聘教授;田晓轩,系清华大学社会科学学院经济学研究所博士研究生)
2025-09-15 09:53
今年暑期,工厂游火爆出圈。参观名额秒空、门票收入可观、社交平台相关笔记有10多万条,工厂游俨然成了文旅界新宠。 工厂游等新型旅游业态,实现了工业与文旅的跨界融合,也为文旅经济的发展提供了新增长点。
2025-09-15 09:52
深夜,河南焦作多氟多新材料股份有限公司的实验室依旧灯火通明,总工程师闫春生还在带着团队忙碌。 2006年,多氟多打响了由传统氟化工向精细氟化工、新能源材料转型的战役,闫春生临危受命加入六氟磷酸锂研发团队。
2025-09-15 09:51
2025年中国国际服务贸易交易会9月10日至9月14日在北京举办,众多科技产品亮相展区,吸引观众驻足参观。2025年中国国际服务贸易交易会9月10日至9月14日在北京举办,众多科技产品亮相展区,吸引观众驻足参观。
2025-09-12 10:08
汽车排放被认为是气候变化的“元凶”之一,但学术界一直缺乏对城市道路碳排放进行精准刻画的工具。”借助全景AI模型,可实现二氧化碳排放源的精准提取,模型的平均精度超过93%、平均误差低于1.3ppm(ppm为百万分比浓度)。
2025-09-12 10:01
习近平总书记指出:“要把握人工智能发展趋势和规律,加紧制定完善相关法律法规、政策制度、应用规范、伦理准则,构建技术监测、风险预警、应急响应体系,确保人工智能安全、可靠、可控。人工智能系统的可靠性不能停留在统计意义上的“高概率正确”,而应追求在复杂、开放、动态环境下的“高置信可靠”。
2025-09-12 10:01
10日,2025世界顶尖科学家协会奖(以下简称“顶科协奖”)获奖者名单在上海公布。顶科协奖是2021年在上海发起创设、由红杉中国独家提供永久资金支持的面向全球科学家评选的科学大奖。
2025-09-12 09:59
全球规模最大恐龙蛋化石群——湖北十堰青龙山恐龙蛋化石群的埋藏时代,首次被科学家认定为距今约8600万年。专家考证,这是迄今全球分布最集中、规模最大、埋藏最好、原地出露最多、原址保存最好的恐龙蛋化石群。
2025-09-12 09:58
9月10日上午,在马来西亚吉隆坡召开的国际灌排委员会第七十六届国际执行理事会会议上,2025年(第十二批)世界灌溉工程遗产名录正式公布,我国申报的云南元阳哈尼梯田、江苏句容赤山湖灌溉工程、四川彭州湔江堰、北京门头沟永定河古渠灌溉工程全部成功入选。
2025-09-11 10:18
“十四五”以来,我们牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念,全力当好自然资源“大管家”和美丽中国“守护者”,全面完成了“十四五”规划的目标任务,有效支撑了经济社会的高质量发展。
2025-09-11 09:57
未来,城市的画卷上,AI、物联网与大数据等现代科技将继续深化推广,但唯有始终以人的尺度丈量技术,以人文的关怀驾驭创新,方能使城市永葆文气的深度、人气的热度与烟火气的温度,让每座城市都在科技的守护中,找到生生不息的发展动能。
2025-09-11 09:52
北京大学的科研团队与合作者联合开发出一种全新的“高维超分辨成像”技术,成功实现了对活细胞内15种细胞器的同时成像与精准识别,为细胞生物学研究打开了一扇全新的大门。
2025-09-11 09:43
加载更多