暗物質佔據宇宙整體質量約1/4,雖然我們仍看不見它,但是它可能具有許多不同的怪異類型。 重點提要 ■科學家現在知道,宇宙必定含有大量且不可見的物質,遠比可見物質還多。關於暗物質的搜尋,他們專注於偵測單一種不可見的粒子,但實驗進行數十年,還是沒有發現任何蹤跡。 ■暗物質可能不只是單一種不可見的粒子,還可能具有奇特型態。科學家分別提出各種不同型式的暗物質模型,有些甚至以幾乎不會影響可見物質的力來交互作用。 ■複雜型的暗物質可能會形成暗原子與暗分子,甚至凝聚成團,形成隱形星系盤,並與銀河系及其他星系的旋臂重疊;許多實驗已經開始挖掘這類複雜型暗物質的線索。 我們的鄰居,如美麗風車般旋轉的仙女座星系,訴說著宇宙的一個奧秘:即使把已知的物理定律運用到該星系的可見物質,也無法解釋它迅疾的轉動速度。按 理說,該星系裡可見物質的重力,應該使它周圍的恆星以較慢的速度運行。如果仙女座星系真的只包含那些可見物質,則這樣快速轉動的星系根本就不應該存在。 宇宙學家相信有某種看不見的物質(暗物質)瀰漫於仙女座星系和其他星系之中,以重力與可見物質交互作用,星系才得以保持高速旋轉。暗物質可能佔據宇 宙整體質量約25%,能夠用來解釋宇宙的其他現象,包括星系團中星系的超高速運動、兩星系團碰撞而造成的物質分佈,以及遙遠星系的光因重力造成偏折,即所 謂的重力透鏡效應。 最簡單的暗物質理論假設,那些看不見的物質都是由單一種、尚未發現的粒子構成。但經歷數十年的搜尋,科學家依然找不到暗物質粒子的直接證據,無法證 實其存在。此外,天文觀測的結果與最簡單的暗物質理論之間,仍有些不一致的現象。由於這些不一致的現象和一直無法偵測到那些看不見的物質,有些科學家便質 疑最簡單的暗物質理論,並開始設想其他複雜型式的暗物質。除了單一種粒子外,暗物質或許是由各式各樣的暗粒子構成。畢竟,可見物質可由許多不同種類的粒子 構成,或許暗物質也具有類似的複雜性。 過去幾年,科學家逐漸猜想多種不同型態暗物質存在的可能性,更有趣的是,或許有些過往未設想的作用力,可以與暗物質作用,並且對於可見物質的影響非 常微弱(甚至完全不影響)。科學家近來對於星系碰撞的觀測,或許可以提供初步證據來支持此假說,而這些作用力也可能協助我們化解最簡單的暗物質理論與觀測 之間的某些矛盾。假如暗物質果真存在多種型態,那麼宇宙將比我們想像的更加錯綜複雜而有趣許多。 隱形物質 雖然我們還不知道究竟是什麼構成暗物質,但可以從觀測上得知它如何影響可見物質,也能從數值模擬中理解其重力效應。例如,它的運動速度必定遠低於光 速,否則早期宇宙的密度漲落將無法形成我們今日所見的星系結構。由於暗物質並不吸收或發射電磁輻射,因此不帶有電荷。構成暗物質的粒子可能質量很大,不然 其運動速度就應該接近光速,而我們已經由早期宇宙的觀測數據否決此事了。再者,這些粒子不會受到束縛原子核的強核力作用,否則我們應該看到暗物質和宇宙射 線這類高能帶電粒子發生交互作用。一直以來,科學家相信暗物質或許會透過弱核力(導致放射性衰變)作用,但新近觀測漸漸瓦解了這個想法。(除了暗物質,如 果還有其他尚未發現的新粒子,暗物質才可能受到弱核力作用,也符合觀測結果。) 我們也知道,就整個宇宙的時間尺度而言,暗物質必須是穩定的。理由很簡單:因為欠缺可持續產生暗物質的可靠機制,所以暗物質必定是源自大霹靂的太初 粒子。當我們說這是一種穩定粒子時,常掩蓋了深刻的真理;粒子的穩定性意味粒子具有「守恆」(即不會改變)性質,因此禁止粒子進行衰變。我們利用電荷來說 明這種特性,就物理學而言,除非有什麼原因禁止粒子衰變,否則粒子必然會衰變成較輕的粒子。電子帶有電荷,而已知比它還輕的穩定粒子,只有不帶電的光子與 微中子。從能量來看,電子能夠衰變成這些粒子,但電荷守恆禁止這樣的衰變,因此電荷確保了電子的穩定性,電子仍然還是電子。 多數的暗物質理論均假設,暗物質粒子具有稱為「宇稱」的守恆量;暗物質粒子的宇稱是-1,而所有其他已知粒子的宇稱則是+1。暗物質粒子絕不可能衰變成普通粒子,如果暗物質粒子消失、普通粒子增加,那麼就會導致宇稱不守恆。 最簡單的暗物質理論符合物理學家列出的一切條件,該理論假設暗物質是由弱作用大質量粒子(WIMP)構成。(這裡的「弱」指的是一般字義,而非弱核 力。)雖然許多理論支持WIMP的存在,但偵測WIMP的困難度顯然超出許多物理學家的想像。自1990年代以來,科學家便進行了各式各樣的實驗,希望藉 由WIMP與可見物質之間非常稀有的交互作用來直接偵測。 為達到必要的精準度,這些偵測器全都冷卻到極低的溫度,並深埋在地下,以避免受到無所不在的宇宙射線干擾,產生類似暗物質的訊號。可惜的是,實驗儀 器的性能不斷提升,科學家卻始終未曾發現暗物質確切的徵兆。雖然WIMP模型可以解釋我們觀測宇宙的許多面向,但並無法說明一切現象。例如,WIMP模型 預測,繞行著銀河系的衛星星系數目遠比我們觀測的還多,而星系中心的暗物質密度,也應該比從觀測星系旋轉運動估計出的更稠密。不過情況正迅速改變,由於暗 能量調查(Dark Energy Survey)研究團隊最近發現了許多衛星星系,因此關於銀河系衛星星系數目的問題,可能只是我們尚未全部發現而已。 雖然如此,WIMP模型的這些缺點終究還是為非傳統的暗物質模型敞開了大門。 Facebook 馬上按讚
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行星不只繞 著一顆恆星公轉,即使有兩顆恆星也可以照樣繞行。美國太空總署(NASA)近日利用克卜勒太空望遠鏡,觀測到一顆名為「克卜勒453b」的行星,以非常詭 異的運轉軌道繞行兩顆恆星,就如同電影《星際大戰》中天行者路克出生的「塔圖因」星球,下次再觀測到它可能得等到2066年。【凌日法觀測行星】科技新聞網站《CNET》報導,NASA科學家利用克卜勒太空望遠鏡的特殊「凌日法」來找尋 宇宙中和地球類似的行星。所謂的凌日法便是當行星運行到恆星的前方時,會遮住一部份的光線,使恆星亮度下降,藉由這樣的方式尋找其他類地行星,而在第29 屆國際天文聯會發表的研究,就特別公布克卜勒453b這顆繞行雙恆星行星的觀測結果。 根據觀測,克卜勒453b位在距離地球約1400光年的星系,而它所繞行的兩顆恆星分別為較大的克卜勒453A及克卜勒453B。其中克卜勒 453A大小和太陽差不多,不過質量為太陽的94%,而較小的克卜勒453B就只有太陽的20%質量。這兩顆恆星以27天的週期繞著彼此1圈,克卜勒 453b則是以240天繞行兩顆恆星1圈。 至於這顆克卜勒453b行星,直徑約是地球的6.2倍,質量約為地球的16倍。NASA表示,雖然克卜勒453b位於離恆星適當的距離,並未成為蒸 氣或冰狀星體,但它完全不適合生物居住,因為它是顆比海王星還大60%的巨型氣體行星,除非它有由岩石組成的衛星,才可能有生命存在的機會。 【繞行軌道不固定】NASA指出,這顆克卜勒453b由於受到引力的影響,繞行雙恆星的公轉軌道並不穩定,其固 定運轉週期可能長達103年,要以凌日法觀測到它的機會只有9%,下一次想以同樣的地球位置再看到類似塔圖因的行星,可能得等到2066年。這項研究同時 也被刊載於《天文物理期刊》上。 過去天文學界一直認為雙太陽星系是非常罕見的,但自從克卜勒太空望遠鏡於2009年升空後,已在2011年觀察到第一顆繞行雙恆星的克卜勒16b行 星,當然還被命名為「塔圖因」星,而這次的克卜勒453b則是第10顆。科學家認為,宇宙中可能還有上百顆類「塔圖因」的雙恆星行星,只是因為無法配合凌 日法被觀測到。 |
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May 2018
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