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现代物理学对于暗物质问题的天文观察简介
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现代物理学对于暗物质问题的天文观察简介
1:哈勃望远镜发现暗物质环跨度约有260万光年2007年05月16日13:07:12
这张由哈勃太空望远镜拍摄的照片显示的是太空中一个跨度约为260万光年的暗物质环.美国宇航局15日报告说，一个天文学家小组利用哈勃太空望远镜探测到了位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质.天文学家们称，这是迄今为止能证明暗物质存在的最强有力的证据.
2 新华社/路透新华网华盛顿５月１５日电（记者张忠霞）
美国宇航局１５日报告说，一个天文学家小组利用哈勃太空望远镜，探测到了位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质.天文学家们称，这是迄今为止能证明暗物质存在的最强有力的证据.所谓暗物质是指宇宙中存在的一种不明性质的物质粒子，它的电磁放射和折射非常微弱，所以不能被直接探测到.按照天文学界目前流行的理论，暗物质才是宇宙物质的“主宰”，而我们肉眼能见的普通物质如恒星、行星，所占质量只是宇宙中很小一部分.暗物质不能被“看”到，但可测量到其存在的痕迹.天文学家介绍说，借助“引力透镜”效应探测到的这个奇特暗物质环位于距地球５０亿光年的一个编号为“ＣＬ００２４＋１７”的星系.
3、据英国《每日电讯报》（2008年）报道，暗物质被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90%以上的物质含量，而人类可以看到的物质只占宇宙总物质量的不到10%.美国科学家称，他们通过一种最新的理论研究发现，地球和月球之间其实隐藏着大量神秘的暗物质.
暗物质无法被人类直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到.科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明.新理论认为，在地球与月球之间存在着大量神秘的暗物质.这一观点也许可以用来解释所谓的“飞行异常”奇怪现象.当太空飞行器进入太空之前、尚在地球周围不断加速的过程中，所有飞行器都曾有过奇怪的速率变化过程.而根据已知的万有引力定律，不应该出现这种现象.于是有些科学家认为，这种飞行异常表明现有物理定律以及万有引力定律存在问题，爱因斯坦的广义相对论需要修正.当然这只是一种较为激进的看法.
对此，美国普林斯顿高等研究院理论家斯蒂芬-阿德勒博士持有不同的看法，他认为飞行异常现象是由一种看不见的暗物质所造成.阿德勒解释，飞行器在穿越暗物质的过程中，受到了来自暗物质引力作用，于是就引起了飞行器速率的不规则变化.美国宇航局近日发表的一份分析报告也认为，卫星或太空探测器在飞离或返回地球的过程中，其往返轨道越不对称，飞行异常现象也就越明显.美国“近地小行星交会”“舒梅克”号探测器的飞行速度就比预计的要快得多.在许多太空探测器近地4小时的飞行期间，有的出现减速现象，有的出现加速现象.
基于此，阿德勒的观点是地球周围存在着大量的暗物质.阿德勒估计，地球周边的暗物质应该位于月球的公转轨道与低空卫星的轨道之间，其总质量肯定不超过地球质量的十亿分之四.这一质量限度使得地球周围可以存在高密度的暗物质.他认为，这一观点虽然仍存在争议，但却是对此前关于宇宙存在暗物质证据的有力补充.阿德勒解释，地球周边暗物质应该集中于地球周围半径大约为7万公里的空间内，其密度远远高于此前天文学家们所估算的密度.“这些暗物质主要局限于月球公转轨道之内，最终衰竭于地球表面附近.它的密度极高，比银晕密度高出2000亿倍.”
当然，暗物质可以用来解释飞行异常现象，但同时又引出了一个新的谜团.这些暗物质是如何汇集于地球周围的呢？阿德勒认为，要达到如此高的密度，肯定存在一种层叠堆积的机制.科学家们认为，正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了.宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城.而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了.但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景辐射(CMB)中留下痕迹.
几十年前，暗物质刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分.暗物质的总质量是普通物质的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成.暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致.不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地.通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光.
在引入宇宙膨胀理论之后，许多宇宙学家相信宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的(这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的).与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现.如果人类不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙.现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞，但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚.
4.多国天文学家办GREAT10挑战赛搜寻暗物质存在证据
北京时间12月11日消息，据国外媒体报道，宇宙学家希望游戏爱好者、程序员、计算机科学家和各行各业奇才们来帮助他们确定暗物质存在的证据.一个由多国天文学家组成的国际研究小组近日举办了一项名为“GREAT10”挑战赛（引力透镜准确性试验挑战赛），邀请广大天文爱好者和计算机天才来共同探索一种能够更好地分析星系扭曲图像的方式，旨在发现潜伏于宇宙中的不可见暗物质的证据.
宇宙中大块的物质块实际上可以起到一种巨型透镜的作用，可以在最临近的区域内扭曲时空.穿过物质块的光线往往会被扭曲变形，这种现象被称为“引力透镜”效应.有些时候，这种扭曲是非常明显的，比如美国宇航局“哈勃”太空望远镜所拍摄的一些遥远星系族的图像，都可能存在扭曲现象.
但是有时这种扭曲太过微妙，以致于人类肉眼根本识别不出来.此外，天文学家们在利用望远镜拍摄星系图像时，也常常会受到望远镜噪音的影响.因此，宇宙学家们转而希望有人能够利用机器学习算法“教会”计算机来识别模式.挑战赛组织者之一、美国宇航局宇宙学家贾森-劳德斯表示，“在星系形状图像受到各种各样噪音影响的情况下，我们正在努力教计算机挑出其中最正确的图像.”
挑战赛组织者希望，机器学习领域和计算机科学领域的专家和天才们能够带来最新的思想.不过，挑战赛并不仅仅局限于上述专家们，任何人都可以参与.挑战赛组织者之一、英国爱丁堡大学天体物理学家托马斯-基特青表示，“应用于游戏和数码相机中的图像处理软件和技术都非常相似.任何在图像处理和软件研发领域中有经验的人都可以参与挑战赛.”
劳德斯认为，“GREAT10”挑战赛与其他的民间科学工程挑战赛相似.不过，“GREAT10”挑战赛获奖者除了得到物质奖品外，他们或许还能够帮助科学家解答天文学中最奥妙也是最基本的一个谜团：宇宙究竟是由什么组成的？最终，挑战赛中研发的计算机程序将被用于揭开暗物质和暗能量的神秘面纱.
通过研究轻微扭曲的星系，科学家们或许能够绘制出宇宙中暗物质的详细地图.暗物质被认为是占据宇宙24%的不可见填充物.知道了暗物质在哪里以及如何变化将能够帮助天文学家更好地解密暗能量.暗能量又是一种更加神秘的事物，它构成了宇宙的72%.
劳德斯表示，“最令人兴奋的是，我们将采用一种多学科综合方法去解决所有科学中最压抑的问题之一.最终目标就是发展出一种关于宇宙的组成以及宇宙最终命运的研究方法.即使你没有终生研究宇宙学，但你同样也可以通过‘GREAT10’挑战赛做出真正的贡献.”
5.新华社电中国日报网站特稿
它无所不在，却又无迹可寻.没有它就没有我们的宇宙，更谈不上今天的人类.它就是暗物质，一个让物理学界追寻半个多世纪的谜.2013年4月3日，诺贝尔奖获得者、美籍华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪(AMS)项目团队宣布18年来首个实验成果，其团队借助阿尔法磁谱仪已发现40万个正电子，这些正电子可能来自人类一直寻找的暗物质.此前科学家从未明确探测到暗物质粒子.
或需数月才能得到更明确答案：这项研究成果是安装在国际空间站上的价值20亿美元的阿尔法磁谱仪（AMS）发现的，该设备重约7吨，2011年5月安装在空间站上.国际科学家团队经过观察，发现了一种极其罕见的高层反物质电子.而这种电子的出现与暗物质粒子相碰撞会相互破坏并产生正电子的理论相吻合.“这种现象可以支持暗物质存在的理论，不过目前还无法排除另一种来源的可能性.”AMS项目负责人丁肇中博士介绍说.暗物质理论权威人物、芝加哥大学的迈克尔·特纳教授也认为AMS的研究数据显示出暗物质存在的可能性，但还需要进一步实验确定.丁肇中博士也表示，研究团队有可能会在几个月时间内得到更加明确的答案.
AMS有颗“中国芯”来自中国科学院电工所：3日发表的丁肇中团队报告，后附一份长长的作者名单.阿尔法磁谱仪项目荟萃了全球54个科研机构的数百名研究人员，其中名列第七的是中国的中国科学院电工所.阿尔法磁谱仪有颗“中国芯”，它最关键的大型磁体来自中国科学院电工所.据介绍，要将一个大型磁铁放入太空是AMS项目的最大挑战之一.中国科学家选择新型高磁能积钕铁硼材料，采用独特的磁路设计，完全符合实验要求，可以使磁谱仪使用寿命长达18到20年，并顺利通过了美国国家航空航天局严格的安全审查，成为人类送入宇宙的第一块大型磁体.没有暗物质星系、恒星不会形成：暗物质是宇宙中看不见的物质.现在我们看到的天体，要么发光，如太阳，要么反光，如月亮，但有迹象表明，宇宙中还存在大量人们看不见的物质.它们不发出可见光或其他光波，用天文望远镜观测不到.迄今的研究和分析表明，暗物质在宇宙中所占的份额远远超过目前人类可以看到的物质.宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量，暗物质占宇宙25%，暗能量占70%，我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%.暗物质被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题.人们认为暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质，就不会形成星系、恒星和行星，更谈不上今天的人类了.暗物质的存在是通过天文观测推测出来的，然而目前被广泛认可的粒子物理学标准模型预言的62种基本粒子中不包含能解释暗物质的基本粒子，因此，探测和研究暗物质很可能导致物理学界新的革命.------原标题：或能首次证明暗物质存在
6.传统理论认为宇宙中的暗物质应该是紧密地聚集在星系的中心，但最近一项新的研究表明，暗物质均匀地散布在星系之中，使神秘的暗物质进一步复杂化，越来越让科学家迷惑不解，这说明人们对暗物质还知之甚少，从而提醒理论学者对传统理论进行修正.该研究结果刊登在即将出版的《天体物理学》杂志上.
暗物质与暗能量被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它们代表了宇宙中90%以上的物质含量.暗物质无法直接被观测到，人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在.尽管不知道暗物质具体是什么，科学家们已经逐步建立了一个很好的模型来描述其特性.标准的宇宙模型认为，暗物质由冷的、运行缓慢的奇特粒子构成，由于重力作用，它们聚集在一起，形成暗物质团.宇宙中充满暗能量和暗物质，随着时间的流逝，暗物质团会成长并吸引正常物质，形成如今所见的星系.这种“冷暗物质”模型做得非常好，模拟了暗物质在大多数情况下的行为模式，它设想暗物质应该紧密地聚集在星系的中心.然而，当把它应用到“迷你型”的矮星系时，却不适用了，暗物质的分布情形似乎比模型设想得更分散.
在哈佛-史密松天体物理中心（Harvard-SmithsonianCenterforAstrophysics）的一项新研究中，不依赖于任何传统暗物质理论，研究人员使用一种新的方法计算出两个矮星系的暗物质分布.他们研究的是天炉座（Fornax）和玉夫座（Sculptor）这两个银河系附近的矮星系（dwarfgalaxies）.研究人员之所以选择矮星系作为研究对象，是因为矮星系由99%的暗物质和1%的正常物质（例如：恒星）所构成，这种差异性使它们成为研究暗物质的理想对象.天炉座和玉夫座只有100万至1000万颗恒星，相较之下，银河系拥有大约4000亿颗恒星.研究人员测量这些矮星系的方位、速度和1500至2500颗恒星的基本化学成分.测量数据显示，这两个矮星系的暗物质均匀地分布在横跨几百光年的较大区域中，与理论预测结果相违背.而之前的预测认为，暗物质的密度应该朝向星系中央明显增加.此项研究的负责人马特•帕尔默（MattPalmer）表示：“我们的测量结果否定了有关“冷的”暗物质在矮星系中的结构的基本预测.除非理论家修正这些预测，否则“冷的”暗物质不符合我们的观测数据.”
英国剑桥大学研究员豪尔赫（JorgePeñarrubia）在一份声明中说：“如果一个矮星系是一个桃子，标准宇宙模型认为，我们应该在桃子中心找到暗物质“核”，相反，我们研究的这两个矮星系却像是无核的桃子.测量结果表明，标准理论模型可能有误.”
研究人员推测，也许是正常物质影响暗物质的程度超过预期，或者是暗物质并不“冷”，移动速度也不慢.研究人员还将进一步研究更多矮星系，特别是暗物质比例较高的矮星系，以确认上述何者正确.
据悉，在宇宙学中，暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到.暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测.科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明.我们必须知道，暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，更谈不上今天的人类了.如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙.现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞，但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚.2007年1月，暗物质分布图终于诞生了，70位研究人员经过4年的努力绘制出了一幅三维的暗物质“模拟图”，勾勒出相当于从地球上看，8个月亮并排所覆盖的天空范围中暗物质的轮廓.更妙的是这张分布图带给我们的信息，首先我们看到，暗物质并不是无处不在，它们只在某些地方聚集成团状，而对另一些地方却不屑一顾.但最近的测量结果表明，占据宇宙中大部分空间的暗物质的分布情形与传统理论相悖，暗物质均匀地散布在这些星系之中，这表示标准的宇宙暗物质模型图的某些部分可能要修改.
表1，根据光度方法测量质量的星系物质密度
星系名称 | 星系半径R （千Pc） | 星系质量M
| 星系质量密度 （g/cm3） |
NGC5248 | R＝12.1 | M＝4.2 |
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NGC5383 | R＝19.9 | M＝4.6 |
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NGC6181 | R＝14.3 | M＝6 |
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NGC7331 | R＝15.5 | M＝6.1 |
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NGC157 | R＝12.7 | M＝5 |
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NGC253 | R＝9.9 | M＝12 |
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NGC598 | R＝8.7 | M＝3.9 |
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NGC613 | R＝17.7 | M＝13 |
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NGC681 | R＝8.8 | M＝1.8 |
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NGC1084 | R＝9.5 | M＝1.5 |
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NGC1808 | R＝8.7 | M＝2.4 |
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NGC1792 | R＝8.8 | M＝1.8 |
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NGC2903 | R＝14.2 | M＝6.1 |
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NGC3034 | R＝6.4 | M＝1 |
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NGC3227 | R＝14.6 | M＝3.6 |
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NGC3504 | R＝9.4 | M＝1.0 |
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NGC3521 | R＝13.6 | M＝8.6 |
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NGC3646 | R＝15.2 | M＝18.6 |
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NGC3623 | R＝12.1 | M＝10.5 |
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NGC4258 | R＝14 | M＝7.5 |
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NGC4605 | R＝3.3 | M＝0.1 |
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NGC5005 | R＝10.2 | M＝5.9 |
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NGC5055 | R＝10.7 | M＝4.3 |
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NGC5194 | R＝9.5 | M＝6.4 |
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表2，根据动力学分析测量质量的星系物质密度
星系名称 | 星系半径R
| 星系质量M
| 星系质量密度 （g/cm3） |
NGC45 | R＝4.2 | M＝2.1 |
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NGC55 | R＝19.2 | M＝2.9 |
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NGC224 | R＝19.8 | M＝31.0 |
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NGC247 | R＝9.8 | M＝1.8 |
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NGC300 | R＝8.6 | M＝3.2 |
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NGC428 | R＝6.3 | M＝2.1 |
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NGC628 | R＝13.6 | M＝3.9 |
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NGC772 | R＝25.4 | M＝23 |
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NGC925 | R＝13.8 | M＝4.9 |
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NGC1055 | R＝19 | M＝6.6 |
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NGC1097 | R＝20.1 | M＝64 |
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NGC1156 | R＝5.4 | M＝0.63 |
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NGC1365 | R＝28.6 | M＝17 |
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NGC1637 | R＝6.3 | M＝1.3 |
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NGC1744 | R＝11.8 | M＝9.6 |
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NGC2366 | R＝4.8 | M＝0.16 |
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NGC2403 | R＝13.9 | M＝7.8 |
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NGC2683 | R＝10.2 | M＝2.8 |
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NGC2835 | R＝10.1 | M＝5.8 |
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NGC2841 | R＝9.9 | M＝4.2 |
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NGC3079 | R＝19.2 | M＝5.7 |
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NGC3109 | R＝5.9 | M＝0.60 |
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NGC3198 | R＝16.6 | M＝6.0 |
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NGC3319 | R＝11.8 | M＝1.5 |
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表3，哈勃1964年根据质光比计算星系质量密度表
哈勃类型 | 质量太阳单位 | 质光比太阳单位 | 平均密度
| 星系质量密度
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E | 2×1011 | 20-70 | 0.16 | 1.2×10－23 |
Sa | 1.6×1011 | 6.6 | 0.08 | 5.9×10－24 |
Sb | 1.3×1011 | 3.6 | 0.025 | 1.8×10－23 |
Sc | 1.6×1011 | 1.4 | 0.013 | 9.6×10－25 |
Irr | 0.9 | 0.003 | 2.2×10－25 |
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