宇宙中的暗物质.doc

宇宙中的暗物质著名物理学家李政道教授在谈到二十世纪的几大科学问题时指出：当代的科学大问题在宇宙学中有两个，一个是类星体，一个是暗物质。暗物质是什么？是怎样被提出的？它为什么会成为当今科学发展中的重大疑难问题之一?一、暗物质的由来所谓看得见的物质是指用光学、红外、放射等手段能推出能量的物质，然而，天体物理研究表明，我们所观察到的质量只占所观测空间中中物质总质量的一小部分，还有很大部分质量是由目前还没有弄清楚的东西所携带，这些看不见的东西即通常所说的暗物质。暗物质问题是二十世纪三十年代，瑞士天文学家兹威基（Fritz Zwicky.1894-1974）首先提出的。三十年代初叶，兹威基用两种方法测量星系团的质量，一种是光度方法，即测量星团中星系的光度。由于星系的光度和其质量有一定的关系，从光度测量就可以推知相应星系的质量。然后再把各星系的质量总和起来得到整个星系的质量。另一种方法是基于动力学，即测量各个星系之间的相对速度。由于星系的平均相对速度是由整体星系的质量决定的，因而由运动速度就可以推知星系团的总质量。兹威基发现，用这种方法得出的质量差别很大。例如对于后发星系团，动力学质量要比光度质量大400倍！这个结果只能解释为：后发星系团的主要质量并不是由可视的星系贡献的，而是由其中大量不可视物质的质量贡献的。因而，只要在星系中含有大量的不可视质量，光度质量就会比动力学质量小得多。至于这些质量到底是什么构成的，那时人们全然无知。所以，兹威基称这些质量为“下落不明的质量”，或者“短缺的质量”。兹威基的大胆猜测一直没有得到公认。但二十年后支持兹威基的事实开始增多。五十年代初，人们开始用广义相对论来研究宇宙的开闭性。通过对类星体的视星等红移关系来确定的宇宙平均密度而得出宇宙是有限的、封闭的，并且会坍缩的结论。这与用光度学有关的经典理论得到的结论相悖，即暗示着应当存在暗物质。考虑到视星等到红移图方法有较大的误差，因而尽管有这一证据，人们还不普遍地接受存在大量暗物质的这种想法。但是到七十年代末期，科学家在研究星系的转动曲线时，得到了暗物质存在的更强有力的证据，使得人们不得不接受宇宙中存在暗物质的观点。所谓星系的转动曲线，是指围绕旋涡星系转动物体的速度与其半径的关系。根据开普勒星体运动定律右得：星体转动的速度与该星系到星系团中心的距离的平方成反比。因而，距星系中心越远的物体，转动速度应越小。但是在1978年，天文观测发现：在星系发光区域之外，物体的转动的速度与距离无关。对于这一“反常”的结果，唯一可能的解释是：在星系周围空间里，冻是真空，而是存在着质量很大的不可视物质，即暗物质。后来，天文观测又发现了其他许多存在暗物质的证据例如1983掉发现，在距银河中心20万光年的距离上，有颗名为R15的星，它的视向速度什高达456千米/秒。要产生台此大的速度，银河系的总质量至少比光学区质量大十倍，即银河系的质量十分之九属于暗物质。到了1984年，科学家又进一步发现，在我们银河系周围有几个矮球星系分布在玉夫、小熊、船底、天龙、天炉和狮子等星座中，它们距离在2060万光年之间。这些星系都在银河系的引力场中，它们的质量不可能太小，否则银河潮夕力，就会使它们瓦解，另一方面，它们的光度很低，其中的发光星体不多，所以其中必定有大量的暗。除了这些暗物质的证据外，关于暗物质的存在，还有宇宙学的理论要求。一个问题是宇宙学的“平坦性”（或称平直性）疑难，根据哈勃定律可得，离地球距离为r的远处星云的退行速度v与r成正比，即v = H0r，其中H0叫哈勃常数。宇宙演化的前途决定于宇宙的能量密度和临界密度的相对大小，由广义相对论可得：c= 3H0/8GN = 1.05104h1002 (eV/cm3)，式中GN是牛顿常数，h100是以100 kms-1MPC作单位的哈勃常数，MPC叫兆秒差距，1 MPC = 3.081024cm = 3.25106光年，由实验测得：0.5h1000.8，所以c在0.262104到0.67104eV/cm之间。宇宙是开放的，或是封闭的，还是平坦的，取决于=/c的大小。如果=1，那么大爆炸至今，乃至将来，保持不变，总是1。而如果1，按标准模型计算，与1的偏离1几乎随时间正比地增大，现在已离大爆炸很长的时间，以普朗克时间作单位，已过1061个时间单位，也就是说，现在的1已比大爆炸当初增大了1061倍，现在的值根据星系和星系团的运动学质量估计，0.2；而根据宇宙膨胀的减速参数来估计，2，总之与1的偏离不大。这样反推到大爆炸当初，与1的偏离应不大于1061分之一。为什么宇宙如此小地偏离平坦性呢？1981年古斯(AHGuth)提出了甚早期宇宙的暴胀理论，当时宇宙尺度因子R是按照指数规律膨胀的,即所谓暴胀，在10-32秒的短时间内，R增加了1028倍。暴胀理论预言：= 1，宇宙实际上是平坦的。从发光星体的密度得到光=光/c0.02，所以宇宙中暗物质质量可能比发光星体多几十倍。另一个宇宙学问题是宇宙的大尺度结构问题，我们宇宙中的星体分布是很不均匀的，有星系、星系团、越星系团等，甚至还有巨大的空洞（直径1.51026cm，1.5亿光年）和宇宙“长城”，在宇宙大爆炸以后，所形成的构成星系的重子物质太少，它们的引力不足以在很短时间内将它们凝聚成团，要依靠非重子的暗物质率先成团，靠它们的强大引力帮助，重子物质成团。并且热暗物质决定了宇宙“长城”、超星系团这类特大尺度的结构，而冷暗物质决定了星系、星系团等等的结构。二、暗物质的成分不是重子目前，以下的论断已经得到了公认：宇宙质量主要是由暗物质贡献的，宇宙间可能至少有十分之九的物质是不可视的。那么构成暗物质到底是什么物质？最初有人猜想，暗物质是弥漫在宇宙空间的气体，实际测量结果证明：宇宙间气体太少了。由标准模型可得，宇宙中最多的应该是氢，中性氢气会发射或吸收波长是21cm的电磁波，由此可判断氢气的密度，可是在射电背景辐射中没有找到21cm的谱线，在一些射电源的谱中也没有21cm的吸收线，考虑到这些测量的准确度，结论是：氢原子密度小于每立方米一个。另外，当可见光通过氢气云时，也会发生光学波段上的吸收。由于氢原子对某些可见光的吸收本领极强，所以光学方法 比21cm波的方法更加灵敏，结果得到，星系际氢原子密度小于每立方米10-62个。用光学方法还可以判定星系际空间里没有锂、碳、氧、镁、铝、硫及铁原子，结果全被否定。也可能，空间的氢不是以原子、分子形式存在，而是以离子的形式存在的，高温的电离气体会发射X射线，观测X射线证实星系团是会发射X射线的。但是，由此得出的电离气体的密度也很小，远不足以说明质量短缺的所在。如果短缺的质量以尘埃的形式存在，那就会引起星光的昏暗，观测结果表明，弥漫尘埃的质量最多只点星系团中恒星质量的百分之一，所以尘埃也不会是暗物质的主要成分。后来有人猜想，暗物质可能是已经变暗了的“死星”或者“死星系”，在我们观测的宇宙范围内是有这样的天体的。但是毕竟太少了，而且如果在近处有许多死星的话，在远处必定有许多“活”星，因为远处的星光的光到达地球要许多年，我们今天看到的远处的星的光还是过错古时代发出的，近处的星的光则是近代发出的，如果近代有许多“老星”、“死星”，远古时代必定有许多“活星”，这些遥远的天体对天空的背景光有贡献，天空的背景辐射就会比目前的观测值大得多。总之“死星”的数量不可能很多，不足以解释短缺质量。自从黑洞理论产生以后，有人想，暗物质可能是黑洞一种致密天体，由于它的极强的引力，在它附近的一雪物质，包括光辐射，都被它吸进去。但是黑洞也不可能这样多，何况黑洞的理论还有待于进一步证实。目前，根据宇宙中氘丰度的观测，结合理论计算，可以得到宇宙中的重子与光子的比值为410-10410-10，而光子数密度从2.7K背景辐射的强度可得到约每立方米400个，光子的质量是零，2.7K的微波背景辐射的光子能量也仅为2.710-4eV，所以背景光子的能量密度比临界密度还低5个数量级，当然不是暗物质的候选者。而由得到，重子数密度是每立方厘米（1.62.8）10-7个，重子大多数是质子，质子质量是938.79MeV，所以宇宙中重子的质量密度是150263eV/cm3，所以，重子密度与临界密度的比很小，即=重/c0.020.1。所以，可以肯定的是，宇宙中的暗物质，主要的不是某种形态的重子物质所组成。三、暗物质的候选者1980年苏联理论与实验物理研究所柳比莫夫（VLUbimov）小组在经过10年的氚谱测量以后，发表了M=34.4eV的结果。考虑误差以后，他们的结论是17eVm40eV。这一消息在当时、在天体物理学界引起的反响似乎比在粒子物理学界还要大，这是因为许多人马上想到短缺的质量也许就是中微子。中微子不是重子，中微子在宇宙间很多，只要每个中微子有很小的静质量，其总和就会远大于重子物质质量，成为宇宙质量中的主导成分，人们推测，在目前的宇宙中的光子数和中微子大体是一样的，即每立方厘米的体积中平均约有百个光子，每光子的质量平均为1.110-36克，它在宇宙中的总质量并不太大。若中微子的静质量为910-32，它比光子的静质量大四个数量级之多。因而它在宇宙中的总质量是可观的，照这样计算，它发光星系的总质量要大十之多。如果中微子质量真是如此的话，最终既找到了宇宙中的短缺质量来源，又将得到宇宙有限而且封闭的肯定结论。近几年来，物理学家们又提出了暗物质的轴子模型：在宇宙大爆炸的混沌伊始时期，宇宙中突然产生大量的重子和非常稳定的“冷微子”，这些“冷微子”被称这为“轴子”。初始宇宙是一坛重子和轴子混合交融的块汤。后来由于重子辐射能量，慢慢地沉没到团块中心去了，结果普通发光物质的核被冷轴子晕包围，形成了星系似的天体，这一模型简结美妙，得到了美国及前苏联一些科学家的支持。不过，轴子模型是否正确，还有待于天体物理学家进一步证实。最近几年，在粒子物理学领域兴起的超对称，超引力理论，预言了许多新的粒子，如引力微子和中微子，它们都不是重子，还没有在现在的实验室里发现它们，但是它们都有很符合不可视物质应有的性质，因而它们都有属于暗物质的候选者，如下表所示。粒子名称自旋可能的静质量（eV/c2）现今数密度上限（cm-3）引力微子中微子光微子胶微子W微子Z微子超中微子轴子磁单极子3/21/21/21/21/21/21/210310103101110-51025或10281102110-810910-22或10-25从表中看到，多数的候选粒子都是微子，所以可以说宇宙中十分之九以上的物质可能是微子，而不是化学元素。这样，宇宙到底是有限还是无限，似乎完全系于微子的性质和微子的多少了。四、研究暗物质的最新进展综上所述，暗物质已成为当今物理学发展中的重大疑难问题之一。它的重要性仅从它在宇宙物质中所占的高比例（90%以上）即可见一斑。暗物质问题涉及到粒子物理、核物理、天体物理和宇宙学等许多学科前沿，其探测涉及很高灵敏度、很高稳定度以及很低放射性本底的新型探测技术和方法所以自70年代以来，暗物质的探测一直是科学界的一个热门课题。1983年，美国、英国、荷兰联合投资发射了第一颗“红外天文卫星”（IRAS），它为宇宙物质的大面积分布提供了可靠的数据。1987年，以英国天体物理学教授鲁宾逊为首的一批天文学家，研究了IRAS所测得的、分布在全天的2400个星系的数据。据此，他们给出银河系附近、半径约5亿光年范围内的三维物质分布图。同时他们还绘出了对应密度分布的直方图，并由此而设计了一种新的统计实验方法，称为“数格子”（Countincells），以供某些理论模型之用。1993年9月21日，由澳大利亚国立大学、美国加州大学伯克利分校和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的15名科学家组成的科学小组，在两个国际会议和堪培拉同时宣布他们已经发现：占宇宙总质量90%的暗物质。这项研究成果是他们在澳大利亚的斯龙特洛山和西定普斯林两个天文台对330万颗星体跟踪了一年后发现的，在这期间，他们发现有一颗星的亮度在二个月的时间里增强到7倍，然后又回复政党亮度。这是该星体的光在穿过一种称为MACHO（宇宙大规模高密度晕圈物质）的物体时，受引力作用产生折射而形成的现象，微透镜现象是MACHO，属于暗物质一部分的证据，这个现象是某个巨大天体从地面望远镜和遥远星系中一颗恒星之间的视线上横切过去时出现的。该天体的重力起了放大镜作用，这使那颗遥远的恒星暂时显得更亮了。因此，观察这种微透镜现象是寻找宇宙暗物质的主要手段。科学家说，在同一时刻，大约200万颗星体中只有一颗星体能产生测得的亮度增强。据测量可知，所发现的这一暗物质是位于银河系边缘，大约是太阳的十分之一，比地球则大13万倍的黄矮星。另外其它一些天文小组也同时公布了相似的观测报告。目前，我国关于暗物质的研究也已展开。1992年9月1日到5日在高能所举行了由中国科学院高能所、北京天文台和理论物理研究所主办并得到国家基金