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Don Lincoln是美国能源部Fermilab的资深科学家,Fer

    日期:2018-09-18

许多精通科学的人认为宇宙不仅是由卡尔萨根经常引用的“数十亿甚至数十亿”的星系,而且还是大量的一种叫做暗物质的无形物质。这个奇怪的物质被认为是一种新的亚原子粒子,不会通过电磁作用,也不会强弱核力。暗物质也被认为是宇宙中普通物质的五倍。

然而,现实是暗物质的存在尚未得到证实。暗物质仍然是一个假设,虽然是一个相当受支持的假设。任何科学理论都必须做出预测,如果是正确的,那么你所做的测量应该与预测一致。暗物质也是如此。例如,暗物质理论可以预测星系旋转的速度。但是,到目前为止,对低质量星系中心的详细暗物质分布进行的测量与这些预测并不一致。然而,现实是暗物质的存在尚未得到证实。暗物质仍然是一个假设QQ分分彩网址,虽然是一个相当受支持的假设。任何科学理论都必须做出预测,如果是正确的,那么你所做的测量应该与预测一致。暗物质也是如此。例如,暗物质理论可以预测星系旋转的速度。但是,到目前为止,对低质量星系中心的详细暗物质分布进行的测量与这些预测并不一致。

最近的计算改变了这一点。该计算有助于解决Tully-Fisher关系的难题,该关系将星系的可见或普通物质与其旋转速度进行比较。用非常简单的术语来说,科学家已经发现旋转星系越大(因而越亮)旋转的速度就越快。

但是,如果存在暗物质,那么星系的“大”应该不仅取决于它的可见物质,还取决于它的暗物质。随着一个巨大的等式 - 暗物质的数量 - 失踪,塔利 - 费舍尔的关系不应该成立。然而它确实如此。很难想象有任何方法可以将这种关系与现有的暗物质理论相协调。到现在。[ 超越希格斯:可能隐藏在宇宙中的5个难以捉摸的粒子 ]

暗物质起源

可能需要像暗物质一样的第一个墨水可以追溯到1932年。荷兰天文学家Jan Oort测量了银河系中恒星的轨道速度,发现它们移动得太快,无法用观察到的星系质量来解释。然而,在近半个世纪之后,天文学家维拉鲁宾和仪器制造商肯特福特测量了附近星系的旋转速率,作为星系恒星距离星系的距离的函数,近半个世纪后开始寻找暗物质。中央。他们将测量结果与标准牛顿引力理论的预测结果进行了比较。

恒星以近乎圆形的路径绕着它们的母星系运行,而引力则是将恒星保持在这些轨道中的力。牛顿方程预测使恒星在圆形路径上移动的力F(圆形)应该等于由于恒星上的重力F(重力)引起的力,否则恒星将飞入太空或落入银河系的中心。对于那些记得高中物理的人来说,F(圆形)是一个惯性陈述,只是牛顿的F = ma。F(引力)是牛顿万有引力定律。

在星系中心附近,鲁宾和福特发现F(圆形)大致等于F(重力),正如预期的那样。但是远离星系中心,方程式的两个方面并不匹配。虽然细节在星系到星系之间变化,但他们的观察基本上是普遍的。[ 画廊:宇宙中的暗物质 ]

这种戏剧性的差异需要解QQ分分彩释。在星系中心附近,鲁宾和福特的测量意味着该理论正在发挥作用,而较大轨道距离的差异意味着现有理论无法解释的事情正在发生。他们的见解表明,我们要么不理解惯性是如何工作的(例如,F(圆形)),要么我们不了解引力是如何工作的(例如,F(重力))。第三种可能性是等号是错误的,这意味着等式不存在一些其他的力或效果。这是唯一的可能性。

解释差异

在鲁宾和福特的原创作品发表40年后,科学家们已经测试了许多理论来试图解释他们发现的银河旋转差异。物理学家Mordehai Milgrom提出了惯性修正,称为“改良牛顿动力学”或MOND。在它的初始形式中,它假设在非常低的加速度下,牛顿方程F = ma不起作用。

其他物理学家建议修改万有引力定律。爱因斯坦的广义相对论在这里没有帮助,因为在这个领域,爱因斯坦和牛顿的预言基本相同。量子引力理论试图用亚原子粒子描述引力,但不能解释同样的原因。然而,有引力理论可以预测银河系或河外的尺度与牛顿引力不同。所以,这些是选择。[ 那是什么?您的物理问题已回答 ]

然后有预测存在新的力量。这些想法以“ 第五力量 ” 的名义聚集在一起,意味着超越引力,电磁力和强弱核力量的力量。

最后,有暗物质的理论:一种物质根本不与光相互作用,而是施加引力,渗透到宇宙中。

如果银河旋转测量是我们拥有的唯一数据,则可能难以在这些不同理论之间进行选择。毕竟,有可能调整每个理论来解决银河系旋转问题。但是现在有很多不同现象的观察可以帮助确定最合理的理论。

一个是大型星系团中星系的速度。星系的移动速度太快,无法让星团聚集在一起。另一个观察是来自非常遥远的星系的光。对这些非常遥远的古代星系的观测表明,他们的光线通过穿过附近更多星系团的引力场而扭曲。还有宇宙微波背景的小的不均匀性的研究,这是宇宙的诞生。所有这些测量(以及更多)都必须通过任何新的理论来解决,以解释星系旋转速度。

暗物质是未解决的问题

暗物质理论在预测许多这些测量方面做了一个合理的工作,这就是为什么它在科学界得到了很好的尊重。但暗物质仍然是未经证实的模型。到目前为止,它存在的所有证据都是间接的。如QQ分分彩官网果存在暗物质,我们应该能够直接观察暗物质穿过地球时的相互作用,并且我们可能能够在大型加速器中制造暗物质,如大型强子对撞机。但这两种方法都没有成功。

此外,暗物质应该与所有,而不仅仅是许多天文观测一致。虽然暗物质是迄今为止最成功的模型,但并不是完全成功的。暗物质模型预测围绕像银河系这样的大星系的矮星卫星星系比实际探测到的更多。尽管发现了更多的矮星系,但与暗物质的预测相比仍然太少。

另一个大而开放的问题是暗物质如何影响星系亮度与其旋转速度之间的关系。这种关系最初于1977年提出,称为Tully-Fisher关系,并且多次表明星系的可见质量与其旋转速度有很好的相关性。

暗物质的艰难挑战

所以,这结束了背后的故事。什么是新的?

对于暗物质模型,Tully-Fisher关系是一项艰巨的挑战。星系的旋转取决于它所包含的物质总量。如果暗物质确实存在,那么物质的总量就是普通物质和暗物质的总和。

但现有的暗物质理论预测,任何随机星系都可能含有较大或较小的暗物质。因此,当测量可见质量时,您可能会错过总质量的大部分。因此,可见质量应该是星系总质量(从而转速)的非常差的预测因子。星系的质量可能类似于可见(普通)质量的质量,也可能更大。

因此,没有理由期望可见质量应该是星系旋转速度的良好预测因子。但确实如此。

事实上,在今年发表的一篇论文中,暗物质怀疑论者使用Tully-Fisher关系测量各种星系,以反对暗物质假设和修正版本的惯性,如MOND。

更适合暗物质

然而,在6月发表的一篇论文中,科学家们给暗物质模型带来了显着的推动作用。新工作不仅重现了暗物质模型早期预测的成功,还重现QQ分分彩网址了Tully-Fisher关系。

新论文是一个“半解析”模型,这意味着它是分析方程和模拟的结合。它模拟了早期宇宙中暗物质的聚集,这种暗物质可能会形成星系形成,但也包括普通物质的相互作用,包括普通物质因其引力,恒星形成和加热而进入另一个天体的物质。星光和超新星的天然气。通过仔细调整参数,研究人员能够更好地匹配预测的Tully-Fisher关系。计算的关键是预测的旋转速度包括星系中重子与暗物质的比率的实际值。

新计算是验证暗物质模型的重要额外步骤。但是,这不是最后一句话。任何成功的理论都应该同意所有的测量。不同意意味着理论或数据是错误的,或者至少是不完整的QQ分分彩官网。预测和测量之间的一些差异仍然存在(例如大型星系周围的小型卫星星系的数量),但这篇新论文让我们相信未来的工作将解决这些剩余的差异。

暗物质仍然是宇宙结构的强有力的预测理论。它不完整,需要通过发现实际的暗物质粒子进行验证。所以,仍有工作要做。但是这个最近的计算是向着我们将一劳永逸地知道宇宙真正被黑暗面支配的那一天迈出的重要一步。

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