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暗物质:迷失的大多数

周宇峰

    暗物质最早由荷兰天文学家卡普顿提出,指可通过星体的运动间接推断出的其周围可能存在的不可见物质。但卡普顿对太阳系附近星体运动的研究未能发现暗物质存在的确凿依据。1933年,美国加州理工大学的天体物理学家兹维基首次在实验中找到暗物质存在的证据——他利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度,发现它们运动得太快,以至于仅靠星系团中可见星系的质量提供的引力无法将它们束缚在一起。他由此推断,后发座星系团之所以能够保持现在的状态,其中应该存在大量暗物质。

    然而这一革命性的结论在当时未能引起学术界的重视,但之后不断有研究支持他的观点。决定性的证据出现在1970年,其时,美国天体物理学家鲁宾和福特对仙女座星云中星体旋转速度的研究取得了重大突破。这两位科学家利用高精度的光谱测量技术,精确地测算出非常遥远的星体绕星系的旋转速度和距离的关系,按照万有引力定律,如果星系的质量主要集中在星系核心区的可见星体上,那么星系外围的星体的速度将随着距离变大而减小。但他们的观测结果却表明,在相当大的范围内,星系外围的星体的速度是恒定的。这意味着要么牛顿万有引力定律是不正确的,要么星系中有大量的不可见物质分布在星系的非核心区,并且其质量远大于发光星体的质量总和。

   经过大量的后续研究,暗物质存在这一推论逐渐被天文学界广泛认可。但正如前文所说,观测到的现象也有可能意味着万有引力定律是需要修改的,而并非由暗物质引起。目前尚未找到一个修正的万有引力定律的理论,能够统一解释主要的观测事实,而引入暗物质的概念来理解这些观测事实,要相对容易得多。

    暗物质虽不可见,但我们能通过其他方式发现它们存在的蛛丝马连。比如,根据广义相对论,引力能导致光线弯曲。如果暗物质大量存在,其所产生的引力必然会改变“路过”它们的光线的走向。科学家在天文观测中发现,我们看到的星系的形状和它们的实际形状不相符,这说明星系发出的光线“变形”了,因此推测星系团中可能存在大量暗物质。科学家已经通过微波背景辐射确定宇宙中暗物质的总量:目前的观测表明宇宙总物质的85%以上由暗物质贡献,构成天体和星际气体的常规物质只占15%。

    然而我们对暗物质属性的了解仍然很少——目前我们只知道暗物质不是什么,但并不知道它是什么——暗物质应是有质量的,能够参与引力相互作用,但单个暗物质粒子的质量大小还不知道；暗物质应该很难衰变,因为在宇宙结构形成的不同阶段都有暗物质存在的证据,其寿命起码要长过宇宙年龄；暗物质基本不参与电磁相互作用,暗物质与光子的相互作用必须非常弱,以至于其基本不发光。

    更重要的是,暗物质不应是常规物质。人类已知的物质世界几乎全部由原子核,即质子和中子构成,并且这种常规物质的总量是确定的,如此大量的暗物质不可能来自常规物质,它是一种完全未知的新的物质类型。我们已知的所有常规物质都能够用粒子物理标准模型来解释,但暗物质的存在对这一模型的完备性提出了巨大的挑战。

    目前世界各国都在集中力量探测暗物质属性,我国也正在积极推进这方面的研究工作。我国已经在四川锦屏建成了小型暗物质探测实验宝,同时,我国第一颗暗物质探测卫星“悟空”号己经在轨道空间收集了一年的数据,相信这些探测将会为最终解开暗物质之谜作出贡献。

(摘编自2017年2月9日《光明日报》

1.下列对材料相关内容的理解,不正确的一项是

A. 暗物质这个概念最早由荷兰天文学家卡普顿提出,他通过星体运动间接推断出暗物质可能存在,但未能发现其存在的确凿依据。

B. 美国天体物理学家鲁宾和福特的观测结果表明,在仙女座星云相当大的范围内星系外围的星体的速度恒定,而非随距离变大而减小。

C. 科学家在观测中看到星系发出的光线“变形”,由此推测星系团中可能存在的暗物致所看到的星系形状与其实际形状不相符。

D. 目前人类对暗物质属性了解依然很少,只知道暗物质不应是常规物质,而应是有质量的、很难衰变的、且基本不发光的某种新的物质类型。

2.下列对材料有关内容的概括和分析,正确的两项是

A. 兹维基利用光谱红移测量发现后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度太快,进而推断该星系团中确有大量暗物质存在。

B. 从暗物质概念的提出,到暗物质存在的推论被广泛认可,其间大量运用假设和推断而没有实际探测,所以人类对暗物质属性了解依然甚少。

C. 科学家已经通过微波背景辐射确定字宙总物质大部分是由不可见的暗物质贡献的,这些“迷失的大多数”已成为世界各国研究的焦点。

D. 这篇科普文章围绕暗物质这一科学话题,从概念提出、证据发现、属性推测、研究现状等方面对人类探索暗物质的情况做了介绍。

E. 我国在探测暗物质属性方面进行了积极的研究,包括建成小型暗物质探测实验室和发射暗物质探测卫星,这些探测已经取得一些研究成果。

3.结合文章,概括暗物质的探测对人类科学研究方面的影响。