跨学科合作将看不见的暗物质变成看得见的光

跨学科合作将看不见的暗物质变成看得见的光 左侧星系团，右侧可见暗物质环。资料来源：NASA、ESA、M. J. Jee 和 H. Ford（约翰霍普金斯大学）为了揭开它的神秘面纱，科学家们进行了数次实验，但尽管科学家们进行了数十年的探索，仍然一无所获。现在，我们正在美国耶鲁大学进行的新实验提供了一种新方法。自古以来，暗物质就一直存在于宇宙中，将恒星和星系连接在一起。它无形而微妙，似乎不会与光或任何其他物质发生相互作用。事实上，它一定是一种全新的物质。粒子物理学的标准模型是不完整的，这是一个问题。我们必须寻找新的基本粒子。令人惊讶的是，标准模型的同样缺陷却为我们提供了新粒子可能藏身之处的宝贵提示。以中子为例。它与质子一起构成原子核。尽管中子总体上是中性的，但该理论认为它是由三个带电的组成粒子（称为夸克）构成的。正因为如此，我们会发现中子的某些部分带正电，而另一些部分则带负电这意味着它具有物理学家所说的电偶极矩。然而，许多测量它的尝试都得到了同样的结果：它太小了，无法被探测到，它又成了一个幽灵。我们谈论的不是仪器的不足，而是一个必须小于百亿分之一的参数。它是如此微小，以至于人们怀疑它是否可能完全为零。然而，在物理学中，数学上的"零"总是一个强有力的陈述。上世纪 70 年代末，粒子物理学家罗伯托-佩奇和海伦-奎恩（以及后来的弗兰克-威尔切克和史蒂文-温伯格）试图将理论与证据结合起来。他们认为，也许这个参数并不为零。相反，它是一个在宇宙大爆炸后慢慢失去电荷、演变为零的动态量。理论计算表明，如果发生了这样的事件，它一定会留下许多轻盈、诡异的粒子。因为它们可以"清除"中子问题，所以被冠以"axions"（一种洗涤剂品牌）之名。更有甚者。如果轴子是在早期宇宙中产生的，那么它们从那时起就一直存在。最重要的是，它们的特性符合暗物质的所有预期。由于这些原因，轴子已成为暗物质最受欢迎的候选粒子之一。轴子只会与其他粒子产生微弱的相互作用。然而，这意味着它们仍会发生一些相互作用。看不见的轴子甚至可以转化为普通粒子，包括讽刺的是光子，光的本质。在特殊情况下，比如存在磁场时，这种情况可能会发生。这对实验物理学家来说简直是天赐良机。许多实验都试图在实验室的受控环境中唤起轴子幽灵。例如，有些实验旨在将光转化为轴子，然后在墙的另一侧将轴子重新转化为光。目前，最灵敏的方法是利用一种名为"光镜"的装置，瞄准弥漫在银河系（进而地球）中的暗物质光环。它是一个浸没在强磁场中的导电空腔；前者捕捉我们周围的暗物质（假设是轴子），后者诱导其转化为光。其结果是在空腔内出现电磁信号，并根据轴子质量以特征频率振荡。该系统的工作原理类似于接收无线电。需要对其进行适当调整，以截取我们感兴趣的频率。实际上，腔体的尺寸会发生变化，以适应不同的特征频率。如果轴心和空腔的频率不匹配，就像把收音机调错频道一样。强力磁铁被移至耶鲁大学实验室。资料来源：耶鲁大学遗憾的是，我们寻找的频道无法提前预测。别无选择下只能扫描所有可能的频率。这就好比用一台老式收音机在茫茫白噪声中寻找一个电台大海捞针，每次转动频率旋钮都要变大或变小。然而，这些并不是唯一的挑战。宇宙学指出，数十千兆赫是轴子搜索的最新、最有希望的前沿领域。由于更高的频率需要更小的腔体，探索这一区域需要的腔体太小，无法捕捉到有意义的信号量。新的实验正试图寻找替代路径。我们的轴心纵向等离子体光镜（阿尔法）实验使用了一种基于超材料的新概念腔体。超材料是一种复合材料，具有不同于其组成成分的整体特性它们超越了各部分的总和。一个充满导电棒的空腔，在体积几乎没有变化的情况下，其特征频率仿佛小了一百万倍。这正是我们所需要的。此外，导电棒还提供了一个内置的、易于调节的调谐系统。目前，我们正在建设该装置，几年后就可以采集数据。这项技术前景广阔。它的开发是固态物理学家、电气工程师、粒子物理学家甚至数学家通力合作的结果。尽管轴子如此难以捉摸，但它正在推动着进步，任何幽灵都无法夺走它。作者：Andrea Gallo Rosso，斯德哥尔摩大学物理学博士后。改编自最初发表在《对话》上的一篇文章。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

暗物质动力学探索奇异的卫星星系“Crater II”

暗物质动力学探索奇异的卫星星系“Crater II” 加州大学河滨分校物理学和天文学教授于海波说："自2016年发现Crater II以来，人们曾多次尝试重现它的不寻常特性，但事实证明这非常具有挑战性。"他的团队在最近发表于《天体物理学期刊通讯》（TheAstrophysical Journal Letters）的一篇论文中对Crater II的起源做出了解释。卫星星系是一个较小的星系，它围绕着一个较大的主星系运行。暗物质占宇宙物质的85%，它可以在引力的作用下形成一个球形结构，称为暗物质晕。暗物质晕看不见摸不着，它渗透并包围着像Crater II这样的星系。Crater II极其寒冷，这表明它的光环密度很低。我们的银河系被大约 50 个矮星系包围着。这些星系中的大多数只能通过望远镜来识别，并以它们出现在天空中的星座来命名（例如天龙座、雕刻家座或狮子座）。不过，两个最明显的矮星系被称为大麦哲伦云（LMC）和小麦哲伦云（SMC），它们很容易被肉眼看到。资料来源：ESA/Gaia/DPACCrater II在银河系的潮汐场中演化，经历了与宿主星系的潮汐相互作用，类似于地球海洋因月球引力而经历潮汐力。理论上，潮汐相互作用可以降低暗物质晕的密度。然而，对Crater II环绕银河的轨道的最新测量结果表明，潮汐相互作用的强度太弱，不足以降低卫星星系的暗物质密度，从而与其测量结果保持一致如果暗物质是由冷的、无碰撞的粒子构成的，正如流行的冷暗物质理论（或称CDM）所预期的那样。另一个谜题是，当卫星星系在银河系的潮汐场中演化时，潮汐相互作用会缩小卫星星系的体积，因此Crater II怎么会有这么大的体积呢？于和他的团队引用了一种不同的理论来解释Crater II的特性和起源。该理论被称为"自相互作用暗物质"（self-interacting dark matter，简称SIDM），它可以令人信服地解释各种暗物质的分布。该理论认为，暗物质粒子通过暗力进行自我相互作用，在靠近星系中心的地方相互发生强烈碰撞。于说："我们的工作表明，SIDM可以解释Crater II的不寻常特性。关键的机制是暗物质的自我相互作用使Crater II的光环热化，并产生一个浅密度核心，也就是说，暗物质密度在小半径处是扁平的。相反，在CDM光环中，密度会向星系中心急剧增加。"在 SIDM 中，与Crater II轨道测量结果一致的相对较小的潮汐相互作用强度就足以降低Crater II的暗物质密度，这与观测结果是一致的。"重要的是，星系的大小在SIDM光环中也会扩大，这就解释了Crater II的巨大体积。暗物质粒子在有芯的SIDM光环中比在'脆弱'的CDM光环中结合得更松散。我们的工作表明，SIDM比CDM更能解释Crater II的起源。"编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学简单点：什么是暗物质和暗能量？

科学简单点：什么是暗物质和暗能量？ 人类对天空的研究已有数千年的历史，而在上个世纪，科学家们才真正开始了解宇宙是如何在一种叫做"万有引力"的力量影响下运动和变化的。万有引力影响着万物，不仅包括物质（科学术语），还包括光。它把我们的身体拉向地球，也在恒星和星系之间的遥远距离上发挥作用。在这段"科学101"视频中，博士后研究员吉莉安-贝尔茨-莫尔曼（Gillian Beltz-Mohrmann）和弗洛里安-凯鲁佐雷（Florian Kéruzoré）将探讨科学界的两大谜团：暗物质和暗能量。这些奇怪的影响因素似乎正在以意想不到的方式将宇宙拉伸开来，并将物质聚集在一起。它们加在一起占宇宙的 95%，但由于我们看不见、摸不着，所以不知道它们是什么。全球各地的研究人员，包括美国能源部阿贡国家实验室的科学家，正在通过大型宇宙学调查、粒子物理实验以及先进的计算和模拟，研究暗物质和暗能量的本质。引力在星系的形成和移动过程中起着至关重要的作用。随着科学家对宇宙了解的加深，他们发现除非存在大量看不见的物质比我们尚未发现的物质还要多得多否则星系的许多行为都是不合理的。这种看不见的物质或者说暗物质会产生额外的引力。如果它不存在，有些星系就会飞散，有些星系根本就不会形成。这张图展示了一个真实的例子，说明暗物质如何使螺旋星系的外部区域比只受可见物质引力影响的星系旋转得更快。这种差异表明暗物质的存在，施加了额外的引力。资料来源：阿贡国家实验室我们称它为"暗"是因为我们看不见它。与可见物质（我们能看到的物质，包括恒星、行星、水等）不同，它不会释放或吸收光线，也不会与其他物质相互作用，除非通过引力。我们知道它应该在哪里，但当我们观察时却什么都没有。这就像看到池塘里的涟漪，却看不到是什么造成的。与此同时，另一些东西正在推动宇宙以越来越快的速度膨胀。据我们所知，宇宙从 138 亿年前开始就一直在膨胀。天体之间的空间不断增大，就好像空间本身被拉伸开来，就像气球充气时的表面一样。科学家本以为这种膨胀的速度会随着时间的推移而减慢，但他们却发现了相反的情况。大约 50 亿年前，宇宙膨胀的速度开始加快。我们不知道是什么导致了这种加速膨胀，但我们把它命名为暗能量。来自暗物质的引力可以弯曲从遥远星系发出的光线，导致它们的图像在到达我们的望远镜时出现扭曲。这种现象被称为引力透镜，它揭示了暗物质的存在，即使我们看不到它。资料来源：阿贡国家实验室据科学家所知，可见物质只占宇宙的 5%。暗物质和暗能量据信分别占另外的 27% 和 68%。换句话说，我们所熟知的可见物质根本无法解释宇宙绝大部分物质的性质。那么，科学家们是如何试图解开这个谜团的呢？什么是暗物质和暗能量？为了找出答案，我们需要数据，而且是大量的数据。为了收集这些数据，科学家们建造了巨型望远镜和照相机。其中包括外太空的哈勃太空望远镜和詹姆斯-韦伯太空望远镜；南极洲的南极望远镜；亚利桑那州的暗能量光谱仪；以及智利的暗能量勘测和即将建成的维拉-C-鲁宾天文台。宇宙主要由暗能量和暗物质组成。可见物质（我们能看到的一切，包括恒星和行星）只占宇宙的 5%左右。科学家们正在研究这未知的 95% 的性质。图片来源：阿贡国家实验室这些灵敏的仪器对天空进行勘测，以揭示星系在宇宙中的位置和移动情况。超级计算机帮助科学家对宇宙进行详细模拟，并分析来自望远镜的数据。除了在天空中寻找答案，科学家们还在建造敏感的探测器，以直接在地球上寻找暗物质。美国能源部阿贡国家实验室的研究人员通过参与这些大型宇宙学调查、粒子物理实验以及使用先进的计算和模拟，为暗物质和暗能量的研究做出了贡献。来自这些测量和模拟的信息帮助科学家绘制出暗物质存在的地图，并提供了有关暗能量性质的线索。随着我们的望远镜、超级计算机和其他仪器越来越先进，我们发现越来越多的证据表明，我们遗漏了一些重大的东西，科学家们正在努力了解它可能是什么。阿贡科学家们的工作正在让世界离揭开这些宇宙之谜越来越近。编译自:ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？ ... PC版： 手机版：

. “当你向夜空中的一颗星星许愿时，你已经迟了几百万年。那颗星星早就死了，你的梦也一样”

. “当你向夜空中的一颗星星许愿时，你已经迟了几百万年。那颗星星早就死了，你的梦也一样” . “你害怕抛头露面，害怕出丑丢人，害怕成为重要人物，害怕承担责任，实际上就是你害怕成功，你害怕成功，怎么可能成功？”

5. “当你向夜空中的一颗星星许愿时，你已经迟了几百万年。那颗星星早就死了，你的梦也一样”

5. “当你向夜空中的一颗星星许愿时，你已经迟了几百万年。那颗星星早就死了，你的梦也一样” 6. “你害怕抛头露面，害怕出丑丢人，害怕成为重要人物，害怕承担责任，实际上就是你害怕成功，你害怕成功，怎么可能成功？”