暗物质与暗能量

来源: Zwicky

发布日期: 2016-06-20

文章讨论了宇宙中暗物质和暗能量的存在及其对宇宙结构和膨胀的影响,介绍了它们的发现过程、特性以及科学家们对它们的探索和理论。

在过去的40年里,天文学家意识到所有我们能看到的东西(包括恒星、行星和星系等等)只占有了整个宇宙的不到5%!那么其它的那~95%是什么呢?最简短的答案是:不知道。这未知的~95%被物理学家称之为暗物质和暗能量。简单来说,暗物质就是看不见的物质,但是科学家可以通过暗物质对恒星和星系施加的引力作用推断它们的存在。另一方面,暗能量则是使宇宙加速膨胀的幕后黑手。

我们并不确定暗物质和暗能量之间是否存在着关联,事实上它们两者很有可能是完全不同的现象。之所以都称之为“暗”只是因为我们看不见它们。

Dark Matter暗物质>它是如何被发现的?至1930年代起,天文学家就发现星系的旋转并不合理。所有的旋臂星系外围的恒星比预期的速度要旋转的快很多(星系的自转曲线)。这就意味着如果星系主要的质量来自发光物质,那这些星系外围的恒星应该早已逃离到外太空去。

但是,如果我们假设有额外的质量围绕着星系,那么星系的自转曲线就可以被解释,这些额外的质量便是“暗物质”。至此之后,许多天文观测都表明了暗物质存在的迹象,比如对星系团以及引力透镜的观测。尽管还有一些科学家正在尝试构建其它的理论,比如对引力的修正。但目前大多科学家都倾向于相信暗物质,有了暗物质的存在,很多问题也就都会迎刃而解了。

Dark Energy暗能量>它是如何被发现的?

在19世纪初,物理学家(包括爱因斯坦)认为宇宙处于静态和不变的。但是,在1929年,美国天文学家埃德温•哈勃对爆炸恒星运动的观测发现了宇宙正在膨胀。事实上宇宙必须有个开端,那一刻称之为大爆炸。在大爆炸之后,物理学家曾经认为由于引力的作用,宇宙的膨胀应该会逐渐慢下来,最终所有的东西又重新聚在一起。问题在于宇宙是否是在某一个时刻停止膨胀并开始往回收,最终形成大坍缩。直到1998年,事情变得复杂起来。

利用哈勃用过的同样方法(以及以哈勃命名的太空望远镜)天文学家发现宇宙的膨胀不仅没有慢下来,而且是在加速。星系以越来越快的速度逐渐的相互远离。这是一个奇怪并且出乎意料的结果。这就好比是你开车在高速奔驰,然后你松开油门,可是车不仅没有慢下来反而加速了!由于观测数据非常具有说服力,因此物理学家意识到宇宙的膨胀或许是由于某种能量驱使的,也就是所谓的“暗能量”。

ΛCDM ModelΛCDM模型Λ是宇宙学常数,是解释当前宇宙观测到的加速膨胀的暗能量项。而CDM则是冷暗物质,是一些运动缓慢未知的粒子。这是当前天文物理学家能够对宇宙所有现象给出的最合理的模型。比如它解释了宇宙微波背景辐射、宇宙大尺度结构以及宇宙加速膨胀。在这个图景中,暗物质占据了宇宙总质量-能量的26.8%,暗能量则为68.3%,而普通物质只占了不超过4.9%(普朗克卫星的结果)。

ΛCDM模型虽然能够很好的解释了很多的现象,但同时也遇到了许多的挑战。未来,只有当我们一步步的揭开暗物质和暗能量的神秘面纱时,才能知道被大自然隐藏的那~95%。

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