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    初步寻找暗物质的过程

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    • 暗物质逐渐被科学家关注之后,人们很乐观,觉得很快就能搞清楚暗物质宇宙中不发天体多得是,隶属于恒星系统的行星卫星就不发光,以及像地球这样大小的流浪星球都不发光。比行星大,比恒星质量小的褐矮星也很暗。这些不发光或很暗的天体因为距离遥远,在地球上观测不到,是很正常的。当然,还有质量明显比普通恒星大的黑洞,就更不发光了。

      初步寻找暗物质的过程

      图1 美国的斯皮策太空望远镜红外线观测为主,其发现的发出少量红光的褐矮星。我们银河系中的褐矮星的量很有可能会超过发光的恒星的数量。

      黑洞、中子星、褐矮星、白矮星、自由行星、甚至暗淡的红矮星,质量大致在0.00000001个太阳质量到100个太阳质量之间。晕族大质量致密天体(MACHO)是一些体积很小的大质量重子物质,没有或只有很少的电磁辐射,在星际空间不与恒星系统发生影响。晕族大质量致密天体自身不发光,所以很难被探测到,我们可以称之为暗天体。1980年代之后的相当长时间内,科学家们把暗物质锁定在了这种暗天体上。

      如果暗物质就是这些暗天体,那么其质量应该是普通天体的五倍多,也就是说我们银河系中应该充斥着这种暗天体。但是由于这些天体太暗,无法用光学或者射电望远镜看到,所以,探测他们的主要方法就利用微引力透镜效应,这是更加灵敏的引力透镜探测方法。

      利用星系整体作为引力透镜,星系质量巨大,背景光线弯曲效果明显,这就是引力透镜效应。单个天体质量就小多了,空间尺度也较小,用单个天体作为引力透镜,背景光线弯曲效果就不明显了,这样就称为微引力透镜效应。

      质量不是太大的天体产生的引力效应对光线的方向影响是很微弱的,但这依然可以让光线集中(类似于透镜对光线的聚焦作用),这是微引力效应的重要结果。当暗天体在背景恒星前经过时,会让恒星的星光暂时增强,于是这颗恒星会看上去显得更明亮一些。根据这个现象,科学家们对距离银河星系较近的卫星星系,可以用肉眼看到的大麦哲伦星系与小麦哲伦星系中的恒星连续进行了几年的细致观测。

      麦哲伦星系中的恒星发出的星光到达地球,要穿过银河系,银河系中的暗天体就会因为微引力透镜效应使得麦哲伦星云中恒星的亮度产生可以观测到的变化。但是,几年的观测结果显示,银河系中没有那么多的暗天体。

      初步寻找暗物质的过程

      图2 欧美科学艺术家设想的黑洞图画,黑洞质量相当于太阳质量的几倍到几十亿倍,甚至更多倍,是一类质量跨度极大的天体。

      由于黑洞级别的天体的引力透镜效果较为明显,按照我们现在的观测技术或观测平,我们能通过引力透镜效应观测到被观测区域几乎所有可能隐藏的黑洞。因此,这些观测结果足以排除10倍太阳质量以上的暗天体是暗物质的主要成分的可能性

      通过微引力透镜效应,应该还没有达到可以观测到行星级别的天体的水平,这毕竟需要更灵敏地观测技术,暂时我们似乎还没有达到这个水平。太阳系之外的行星的发现也是近几十年的事情,都是通过行星轨道运行过程中,可以遮挡所在恒星系(太阳系)的恒星而产生恒星亮度的周期性变化,推测出行星的存在以及体积或质量或轨道半径的。似乎还没有通过微引力透镜方法推测出行星的或推测出行星级别的流浪天体的,也许未来可以这样做。不要说行星级别了,就是比行星质量高出一个数量级的褐矮星,也是通过红外光线波段望远镜观测到的,不是通过微引力透镜方法获得的。可见,微引力透镜效应确实是重要的天文观测方法,还有很大的发展空间。

      科学家们一系列这样的努力探索行为,虽然结果不理想,但成绩还是有的。确实发现了一些暗天体,并且数量很壮观,虽然远没有预期多。这确实可以解决一部分暗物质问题,比如,甚至可以解决20%的暗物质问题。如果数据没有问题的话,确实成绩不小。这20%的暗物质比例,几乎相当于普通的可见物质总量了。其实,这是多么好的思路,只要认真观测,提高测量精度,确实可以进一步发现更多天体,也许真的可以从根本上解决暗物质问题。不过,科学家是耐不住性子的。八仙过海、各显神通,从多种度提出了各式各样地解决暗物质的设想或方案,特别是那些理论物理学家们。

      我总感觉暗物质是在打理论物理学家的脸,但理论物理学家们是从不介意的,并饶有兴趣地贡献自己奔放的大脑,天马行空设想层出不穷,打脸的事情变成了理论物理学家的盛宴。

      粒子物理学家们产生了的极大兴趣,提出了暗物质的诸多猜想体系,其中的一个猜想叫做弱相互作用大质量粒子,简称为 WIMP。他们猜想暗物质是充满宇宙空间的一种微观粒子,这种粒子质量很大,但是却没有电磁效应或作用。到目前为止,尽管科学家们使用粒子加速器、地下暗物质探测器和专门设计的暗物质探测卫星搜索了几十年,但仍然没有找到它们存在的证据。

      另一部分理论物理学家为了解决星系的环绕速度问题,修改了引力理论。修改后的理论虽然可以解决星系或星系群的引力问题,但是更大范围却力不从心了。这显示,这个路子也是失败了。

      当然,还有各式各样的暗物质理论,几乎都付诸行动了,比如,各种灵敏试验或精细观测。结果,都是在接近成功时,或认为将要成功时,或认为大概率会成功时,失败了。

      其实,真正部分解决暗物质问题的就是前面介绍的暗天体的寻找。这种枯燥的行为,似乎没有什么智力含量,引不起理论物理学家的兴趣。人们在这里似乎没有更多的努力,这也许是暗物质问题裹足不前的原因。

      初步寻找暗物质的过程

      图3 斯皮策太空望远镜效果图,这是一个超期服役的红外线太空望远镜,将要退役。可以发现褐矮星这样的暗淡天体。

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      图4 詹姆斯·韦伯太空望远镜效果图,背景有些夸张,不符合实际情况。可以接替斯皮策的红外线观测任务功能更为强大。

      接替哈勃,已经进入太空的大口径韦伯望远镜,不仅可以看得更远,应该还可以看得更细。随着韦伯的使用,也许真的可以终结暗物质的困惑问题,其大概率会顺着暗天体这个路子解决暗物质问题。也许真的会让理论物理学家失望的,自己想得太多了。

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