宇宙学两问答,解开宇宙中心与暗物质之谜
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宇宙学两问答,解开宇宙中心与暗物质之谜

2019年12月02日 19:22:00
来源:天文在线

宇宙有中心吗?

听起来也许很奇怪,但宇宙确实没有中心(所以“中心在哪里”和“它是由什么组成”这样的问题就不太有意义了。)的确,我们很难去想象任何东西,它占据了空间却没有中心。但最常见的思考方式是:

拿一个普通的气球,把它吹大一点。用黑色马克笔在气球上点上一些点,使它们分散在气球任意位置上。现在,注意观察,没有一个点是处于气球中心的。如果你住在某一个点上,也许你能够环游气球表面,参观其他的点,但你找不到中心。如果你继续吹这个气球(注意不要把它吹破!),点与点之间的距离会越来越远,但这些正在远离的点所在的气球表面,仍然没有中心。

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图解: 可观测宇宙的模拟全图,室女座超星系团位于中心位置,但因过于渺小以至于看不见。

气球表面是三维空间中的二维表面(你无法找到中心,除非你可以在第三个维度自由移动——除了往下挖,否则你找不到地球中心)。而宇宙是四维时空的三维表面,唯一像“中心”的东西是宇宙爆炸开始的时间点。在那个时间点,宇宙所有(三维)空间和逐渐会组成星系、恒星、行星和你的物质都紧紧的挤在一起。

图解:艺术家对可观测宇宙的对数尺度构想,以太阳为中心,朝外是太阳系内行星和外行星,柯伊伯带,奥尔特云,南门二,猎户臂,银河系,仙女座星系,邻近星系,宇宙纤维状结构,宇宙微波辐射以及处在边缘的不可见的大爆炸等离子体。

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暗物质是什么,你相信它吗?

天文学家们可以通过星系发出的光量来估计星系的质量。一般说来,越亮的星系质量越大。他们也可以通过测量恒星围绕星系中心旋转的速度来估计星系质量。但当我们对比用这两种方法得出的结论的时候,却发现了质量差异。用环绕速度得出的质量比用光得出的更大。换句话讲,行星的运动速度,比根据星系中发光的质量预测的要快得多。

图解:从引力透镜产生的效应,星系团CL0024+17内部被发现存在有一个暗物质圈,在这张哈勃太空望远镜像片里以蓝色显示出来。

从这一切中得出的最重要的结论是:当前我们了解的引力定律告诉我们,星系中存在的质量比我们能看到的要多。第二件重要的事是有两个合逻辑的结论:1)一定存在大量不发射(或很少)电磁辐射的物质(暗物质)。或者2)我们用于判断质量差异存在的引力定律本身是错误的。如果结论2是正确的,那就没有任何必要使用暗物质了,因为只要我们运用另外的引力定律,质量差异就会消失。

目前,一些天文学家和物理学家在研究另外的引力定律可能会是什么。但大多数天文学家和物理学家更喜欢结论1,因为我们当前使用的引力定律经实验证实得很好。

图解:被暗物质包围绕着的地球想像图

如果我们接受结论1,那我们就要尝试去解决暗物质是什么的问题。螺旋星系旋转的数学分析显示,暗物质存在于围绕星系发光部分的巨大的晕中。暗物质被认为几乎完全由MACHOs或WIMPs组成。MACHOs(晕内大质量高密度天体)是褐矮星或白矮星,又或者是大质量黑洞。

目前正在进行许多实验去确定这些物体。WIMPs(弱相互作用重粒子)是理论预测得到的一种特殊的亚原子粒子。它们很少与正常的物质(也就是构成行星的物质)相互作用,除非通过它们的引力效应。如果WIMPS真的存在的话,那么它们中的一些现在应该正在穿过我们的物理实验室。的确,进行中的实验正尝试在它们原子核碰撞的时候探测到它们。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. Mike Barker- astro- Sisyphus

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翻译:天文志愿文章组-

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排版:零度星系