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暗物质到底是啥?

时间:2024-01-11来源:网络作者:小白

出品:科普中国

制作:生生不息团队 党以凡

监制:中国科学院计算机网络信息中心

据外媒报道,安装于国际空间站的粒子物理试验设备阿尔法磁谱仪近日获取了关于反质子流抵达地球大气层的最新数据,这一数据的准确性前所未有。

两个独立的研究团队同样采纳这一最新数据,取得了一致的研究成果。

他们声称,一些反质子应该是产生于暗物质粒子碰撞。

这一发现并非科学家第一次尝试发现暗物质的证据。

但考虑到阿尔法磁谱仪最新数据的准确性,最新发现应该可以看作是最强有力的证据。

暗物质到底是啥?

图片来源网络

暗物质当作宇宙最神奇的力量,上世纪20年代开始引起了科学家的注意,长达近一百年的科学研究已基本证明它的存在,因测量方法或计算方法不准确所导致不同结果的误差,有人质疑它不足以证明真的有暗物质存在,但就现有的科技与认知来看,学界更倾向于其存在的理论与证明方法。

暗物质到底是啥?

笼统地说,暗物质一种暂未被准确定义的构成宇宙的一种物质,2013年,欧洲普朗克宇宙探测器团队猜测宇宙的年龄为137.98±0.37亿岁,由4.9%的普通物质, 26.8%的暗物质和68.3%的暗能量组成。

暗物质到底是啥?

而暗物质之所以称为暗物质,那是因为依据已有的证明暗物质存在的证据,没有一种已知粒子符合它的特点。

首先,暗物质不发光却有引力,因为我们是通过引力方法测量到它的存在。

其次,暗物质粒子的重要性质有以下三点:

1. 暗物质粒子的寿命比较长

因为宇宙演化了一百三十多亿年,暗物质仍然存在。

可以猜测,要么暗物质是和质子一样,不会衰变的;要么暗物质虽然衰变,但速率非常低;

2.暗物质重要是冷的,也就意味着它的速度比较低,质量比较大

3.暗物质粒子之间的相互作用很弱。

暗物质粒子不参与电磁相互作用,它们之间存在的引力相互作用以及可能存在的弱相互作用,这两种作用都很弱。

在新的粒子物理模型中,有很多粒子的性质很像暗物质粒子,可惜,没有一个完全符合。

下面我们逐个分析。

下图是标准模型,包含除了引力子以外的所有已知粒子:

暗物质到底是啥?

图:现有粒子模型

从左上角看起。

右上角是夸克家族,包括六类夸克,共计36种。

为何夸克不能是暗物质粒子呢?因为夸克都带电,带电就会发光。

左下角是轻子家族。

电子、μ子和τ粒子都带有电荷。

而中微子虽然不带电荷,但它质量比较轻,速度比较大。

右边是玻色子家族。

其中,光子是电磁相互作用的媒介粒子,肯定不是暗物质。

W及Z玻色子虽然是弱相互作用的媒介粒子,但它们不稳定。

胶子是强相互作用的媒介粒子。

最中间还有一个不标准的玻色子,是希格斯粒子。

它的衰变非常快速,不稳定。

经以上排除,我们大致可推知暗物质粒子应是未知的一种新粒子。

寻找暗物质

目前,用于寻找暗物质的方法大致有以下三种:

1. 模拟宇宙大爆炸:利用大型强子对撞机,模拟宇宙大爆炸之初的样子,试图发现暗物质;

2. 探测暗物质例子与普通例子碰撞发生的信号:根据科学观测,暗物质与普通物质有极小概率会碰撞并发出信号,但由于信号太弱,为了屏蔽其他宇宙射线的影响,我们选择将精密仪器置于地底的深坑进行探测;

3. 空间间接探测:暗物质粒子可能会湮灭或衰变,该过程中发出的宇宙射线可能被发射到宇宙中的探测器探测到。

我国的暗物质探寻之路

我国探测暗物质的方法属于空间间接探测——2015年12月17日,中国首颗暗物质例子探测卫星DAMPE发射,中国科学院空间科学先导专项中首批确定立项研制的4颗科学实验卫星之一,是目前世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。

我国暗物质粒子探测卫星的重要科学目标有三个:一是暗物质间接探测,也是最重要的;二是寻找宇宙射线的起源;三是伽马射线天体物理。

DAMPE卫星结构及功能

暗物质到底是啥?

图:DAMPE内部结构

这颗卫星由四大部分组成,从上往下依次是:塑料闪烁体探测器;Si阵列探测器;BGO量能器,中子探测器。

其功能区别为:

塑料闪烁体探测器:区分电荷。

电子和光子打进来,是不同的。

Si阵列探测器:测量宇宙线的方向和电荷。

BGO量能器:最为主要,测量宇宙线的能量。

中子探测器:区分质子和电子。

如上图所示,质子打进来的话,在底端会产生很多中子,而高能宇宙线的电子打进来,产生的中子很少。

DAMPE卫星重要的科学仪器无论在重量、功耗,还是电子学线路的复杂度、工程实现难度方面都超出了以往。

与国际上其它暗物质探测卫星相比,它具有三个显著优势

1. 能够测量的宇宙线的能量非常高,可以测量到104个GeV;

2. 能量分辨率高,可以达到1%左右,测得比较准;

3. 测量能量的本底比较低,也就是区分电子和质子的能力非常强。

对了,它还有个十分中国风的名字——悟空号,取探索、领悟宇宙之意,也寄予了我们盼望它如孙行者一般在杳渺宇宙能为我们取回真经的美好愿望。

虽然暗物质探索道阻且长,且到目前为止我们并不十分清楚它的真正应用价值及可能的探测结果,但是人类现有的幸福都是从当初的已知的0%开始的,如今宇宙那未知的26.8%仍在等待着我们,希望这朵笼罩在21世纪物理学天空中的乌云终有一天能够散开,不再有妖魔阻挡科学的康庄大道。

暗物质到底是啥?

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宇宙存在暗恒星和暗行星?暗生命或活在暗物质世界与我们近在咫尺

宇宙当中是存在暗恒星和暗行星的,但并没有确凿的证据证明存在暗生命或者暗物质世界。但科学家们对于暗生命和暗物质的探索一直在进行当中。暗恒星和暗行星在2008年,美国的科学家们发现了两颗恒星,它们的亮度非常之暗,只有太阳亮度的百万分之一。这两颗恒星被称为暗恒星。顾名思义,暗行星的亮度也非常之暗,目前发现的暗行星距离太阳非常之遥远。暗物质和暗生命自人类开辟航空航天事业以来,就一直在通过直接探测、间接探测以及对撞机探测等探测手段探测暗物质的存在。暗物质指的是一种由惰性中微子、轴子以及多种粒子所构成的不可见的物质,它也如同暗行星和暗恒星一般存在于宇宙当中。目前它只是一种理论上的东西,但根据理论的分析,暗物质承载着中枢的作用,如果没有暗物质的存在,宇宙很可能会分崩离析。如果存在暗物质,那么暗生命的存在也是极有可能的。暗物质于暗生命而言就如同地球于人类,二者之间相互依靠,紧密连接,不可分离。暗生命世界目前,人类已知的宇宙世界是一个浩瀚无垠的宇宙世界,如果通过科学手段探测出暗物质以及暗生命,就很可能衍生出一个暗宇宙。如同人类生存在地球当中一样,暗生命和暗物质也同样构成了暗宇宙的存在。或许这些物质目前已经存在,但人类的科技手段达不到可以探测出来它们的水平;如果它们真的存在,是否能够对人类的生命造成威胁,是否会对地球展开攻击,这一切都不得而知。探索的道路道阻且长,我们还需要继续努力。

行星探测器巅峰之作,飞越35亿公里工作20年,坠毁前一睹土星真容

看到题目,很多人会对卡西尼号土星探测器产生疑问,它是什么时候发射的,发射它的目的是什么?相比于比较有名的行星和行星际探测器,比如旅行者号探测器,先驱者号探测器,水手号火星探测器,伽利略号木星探测器等等,卡西尼号土星探测器的名气就小很多,甚至很多人都不知道它的存在,但是知名度相对较小一点也不影响它的重要地位。1997年10月发射的卡西尼号是人类历史上唯一一个绕行土星的探测器,土星这个太阳系第二大行星人类只有四次接触它的机会,前三次分别是先驱者11号、旅行者1号和2号,而这三次也仅仅是飞掠而已,真正意义环绕观测的,只有卡西尼号。而且卡西尼号只是卡西尼-惠更斯号探测器的一部分,另一部分惠更斯号着陆器成功降落在土星最大卫星土卫六上,这也是人类历史上第一次在其他行星的卫星上着陆的探测器。卡西尼号背后的设计团队也是非常的庞大,卡西尼号计划共有17个国家参与,是美国航天局与欧洲航天局合作的最大手笔,是人类历史上最大的国际空间课题合作项目之一,也是人类历史上迄今为止复杂程度最高的行星探测器,卡西尼号重达6.4吨,直径3米,长度7米,配备了27种当时最为先进的科学设备,其目的只有一个:揭开土星的神秘面纱。长达7年的漫长旅途地球和土星的距离是一只变动的,大概的距离范围在13-16亿公里左右,而单纯地想用火箭将探测器直接送到土星,先不讨论到底需要多少燃料,这十几亿公里的路程耗费的时间就是一个巨大的问题,于是在设计卡西尼号的飞行路线时,就直接放弃了这种最直接的方法,选择了一种星际旅行最常使用的迂回战术——借助行星的引力也就是引力弹弓效应来加速。对于引力弹弓效应,可以这样理解:探测器以初始速度飞掠行星的时候,会被行星的引力而改变轨道方向,如果行星是静止的,那么探测器即便是轨道方向变了但是速度不会变化,但是如果行星本身以一定的速度运动,那探测器的速度就变成了行星速度和探测器初速度的结合,或是增加或是降低。卡西尼号在发射第一次离开地球之后并没有直接奔向土星,而是首先飞掠过了金星,获得了金星引力提供的加速,绕太阳一周后,再次经过金星获得了第二次加速,在离开金星后又第二次与地球相遇,获得了地球引力提供的加速,此时卡西尼号才开始向太阳系的外层进发,时间来到了2000年12月,卡西尼号飞掠木星,并获得了木星引力提供的加速,这才开始真正朝着土星前进。虽然地球和土星之间的距离最远不过16亿公里,但是为了利用引力弹弓效应,卡西尼号整整飞行航程达到了35亿公里,整个历程耗时6年8个月,直到2004年7月1日才顺利进入土星的环绕轨道。不过,卡西尼号的迂回战术并没有浪费时间,相反,整个航行时长并没有延长,而燃料却极大地节省下来。在土星工作13年后,为什么下令坠毁卡西尼号前面说了卡西尼号通过引力弹弓效应在飞往土星的路途中并没有消耗太多的燃料,这并不意味着卡西尼号携带的燃料不多,只是土星的情况远比火星、金星这种行星的轨道状态复杂得多,需要燃料来维持轨道。土星的轨道状态有多复杂?土星是太阳系中内扁率最大气态巨行星,也就是说土星就是一个大椭球,土星拥有八大行星中最多的卫星数量,大概有200多颗,已经确认的就有82颗,而明确轨道的就有60个左右,这就导致了土星的引力摄动情况非常复杂,卡西尼号压根就没有明确的轨道,都是对其实时监控然后使用燃料干预,才让卡西尼号得以维持目标轨道,这一调就是13年。卡西尼号走过的轨道,不同颜色代表不同年份这也意味着如果燃料耗光了,卡西尼号飞到哪里都是一个未知数,然而土星众多卫星中,却有两个可能存在生命的另类,它们分别是土卫二和土卫六。土卫二是一个冰冻卫星,但是冰盖下有着比地球水量还大得多的巨型海洋,并且土卫二的地质活动活跃,经常有冰下火山爆发,这样的环境是有可能诞生生命的。土卫六更加神奇,土卫六有着以氮气为主的厚重大气,大气压与地球相差不大,大气中存在着甲烷等温室气体,这给了维持土卫六地表温度提供了条件,也是大阳系中最有可能存在生命的星球。如果卡西尼号意外降落在这两个星球上,其本身的燃料含有剧毒,其电机和热源也含有放射性,甚至还有可能携带地球上的细菌等微生物或者营养物质,这些都有可能污染两个星球上原有的生态环境,所以最安全的办法就是让卡西尼号坠毁在土星的大气层里。伟大终章卡西尼号,最后的任务对于工作20年的卡西尼号,它的归宿有没有可能是降落在土星上,或者像旅行者号飞离太阳系?土星作为一个气态巨行星,本身来说并没有真正意义上的陆地,其内核由岩石和冰组成,向外就是多层金属氢和气体包裹着,这也就不存在让卡西尼号着陆的可能了,厚重的大气层就会将卡西尼号碾压焚毁。而且当初旅行者1号是借助土星和土卫六的合力才被甩出太阳系黄道平面的,卡西尼号在土星轨道想要摆脱土星的引力非常难,土星的逃逸速度是35.5千米/秒,约是地球的3倍,需要耗费巨量的燃料,留着这些燃料还不如多围绕着土星研究。卡西尼号在燃料耗尽在即的时候,它的最后的任务是投入土星大气层的怀抱,将大气层内部所能观测到的所有情况发回地球,这也是一项极具科研意义的任务,毕竟13年来为了防止卡西尼号被土星大气层撕碎,一直保持远观的安全距离,这种近距离亲密接触还是第一次,也是唯一一次。最后,卡西尼号也不负众望,在身体被撕碎前一瞬间,将土星大气层内部的照片和重要数据发回地球,算是对20年的生涯画上了圆满的句号,人类也首次看到了土星大气层内部的样子,至于大气层数据,将会对土星的研究有新的发现。
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