暗物质到底是什么?
“暗物质到底是什么?”,客观地说,我们现在还不知道暗物质是什么,否则我们也不会把它叫做暗物质了。可能要你要问题了,
为什么还会有暗物质这个概念呢?
这其实是理论和实际观测过程中发现的巨大差距所导致的。具体来说是这样,上世纪30年代,两位天文学家先后发现了,星系中的恒星的移动速度大于理论值。
我们可以举个简单粗暴的例子,就说咱们所在的太阳系吧,太阳系其实是绕着银河系的质量在做运动。
同时,在上初高中甚至是大学物理课时,我们都有接触过牛顿的万有引力定律,根据牛顿的力学体系,我们可以计算出太阳的绕着银河系质心运动时的具体速度,算下来大概是160km/s,结果呢,实际上观测结果却是240km/s。
这个问题的出现让科学家开始思考到底是哪里出了问题。我们也可以思考一下,这样的情况可能是什么原因导致?
很多人的第一反应是理论错了,但是牛顿的万有引力定律200多年来,在预测天体的运动时都精确不比,甚至科学家用牛顿力学还能预言海王星的存在。直到近现代,航空航天也还在大量运用牛顿力学,有些探测器在长达数年的航行中,最终达到预定地点和计划的时间差都在秒级,如果牛顿力学是错的,是不可能有这样的精准度。
那还有一种可能性,根据牛顿力学,运动速度越快,就需要越大的引力,这就意味着需要额外的质量来提供额外引力,所以可能存在着某种我们看不到的物质提供了这个额外的引力。
那这种猜想靠谱么?实际上,理论上是有可能的。这里就要提及宇宙中的四大作用力,分别是强力,弱力,电磁力和引力。
他们就想万物的粘合剂,让物质粒子可以聚合在一起,所以物质和物质之间就是依靠这四种相互作用。其中强力最强,电磁力次之,弱力排在第三,引力是最小的。
而我们在观测天体时用到的是电磁波,也就是利用的电磁相互作用。也就是说,如果存在不参与电磁相互作用的物质,我们就会很难观测到它,比如:中微子就属于这一类。中微子不参与强力和电磁力,由于每秒钟有10万亿个中微子穿过我们的身体,但我们根本无法察觉到。所以,这个提供额外引力的物质应该也是不参与强力和电磁相互作用的,只参与弱相互作用和引力。而由于弱相互作用发生的概率极其低并且强度也很小,引力强度则是十分小,因此,我们很难能够观测到,我们也被这种物质叫做暗物质。
暗物质在哪里?
按照目前对于暗物质的相关研究来看,我们就主流的理论:冷暗物质模型。
这里的“冷”指的是构成暗物质的粒子运动特别缓慢;根据最新基于宇宙微波背景辐射的研究以及理论计算,我们可以知道暗物质的总量大概比于已知物质总量的5倍还要多。
因此,基于这两个点,科学家预计暗物质是大量存在的,并且广泛存在于宇宙空间当中。说白了,我们都被包裹在暗物质当中,只是我们看不到他们而已。(下图中,蓝色部分就是暗物质。)
暗物质有什么用?
目前基于对暗物质的研究,暗物质将会有什么用处,产生什么样的影响力我们还无法预知。但我们知道现在的宇宙的样子是离不开暗物质的。
首先是在宇宙2亿岁时,也就是距今136亿年前后,宇宙中第一批恒星在分子云的引力坍缩后逐渐形成,但是根据计算发现,可能当时的物质间的引力还不足以使得分子云聚合成恒星,是由于暗物质的存在,提供了额外的引力,恒星才得以形成的。
其次,同样的问题出现在了星系上,目前来看,早期的星系能够形成也是仰仗着暗物质,而且这种情况持续至今,如果暗物质突然消失,那么星系就会崩盘乃至散架。
因此,暗物质的作用就像是恒星,尤其是星系的粘合剂。