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：

最新研究挑战宇宙暗物质存在理论

最新研究挑战宇宙暗物质存在理论 宇宙的膨胀速度受到两种相互竞争的力量的影响：一种是减缓膨胀速度的引力，另一种是加速膨胀速度的暗能量。这张图显示了宇宙历史上的膨胀率，较浅的曲线表示膨胀较快，较陡的曲线表示膨胀较慢。大约 75 亿年前，宇宙开始加速膨胀，膨胀率发生了明显的变化。宇宙学模型普遍认为，宇宙中约27%为暗物质，普通物质不足5%，其余则为暗能量。其中，暗物质指所有似乎与光或电磁场不相互作用的物质，或只能通过引力解释的物质。人们看不到它，也不知道它由什么组成，但它有助于科学家揭示星系、行星和恒星的行为。在最新研究中，加拿大渥太华大学物理学教授拉金德拉·古普塔结合共变耦合常数理论和疲光理论得出结论称，宇宙中可能没有暗物质。其中共变耦合常数理论描述了自然力如何随着时间的推移而减弱；疲光理论则阐释了光经过“长途旅行”会损失能量。古普塔表示，他提出的新理论已经接受了测试，并被证明与一些观测结果相匹配。基于此前关于宇宙年龄为267亿年的研究，古普塔提出宇宙不需要暗物质存在的说法。“在标准宇宙学中，宇宙的加速膨胀被认为是由暗能量引起的，但实际上是由于自然力在膨胀时减弱，而不是暗能量。”古普塔说。“红移”是指光向光谱的红色部分移动。研究人员分析了文献中关于低红移时星系分布和高红移时声学视界的角大小的最新论文中的数据。古普塔说，目前已有几篇论文质疑暗物质的存在。最新论文是第一篇指出宇宙组成不需要暗物质，同时也能与某些宇宙学关键观测结果相吻合的论文。 ... PC版： 手机版：

超越爱因斯坦突破性的宇宙地图重新定义了宇宙模型

超越爱因斯坦突破性的宇宙地图重新定义了宇宙模型 德克萨斯大学达拉斯分校的一名天体物理学家等组成的研究小组，作为暗能量光谱仪（DESI）合作项目的一部分，正在领导一项旨在探索宇宙膨胀和加速的开创性实验。达拉斯UT大学自然科学与数学学院（NSM）物理学教授穆斯塔法-伊沙克-布沙基（Mustapha Ishak-Boushaki）博士是DESI合作项目的成员，DESI合作项目是一个由来自全球70多个机构的900多名研究人员组成的国际小组，该小组参与了一项为期多年的实验，旨在加深对宇宙历史和命运的了解。4月4日，伊沙克-布沙基与其他两位DESI科学家在加利福尼亚州萨克拉门托举行的美国物理学会会议上，介绍了对DESI实验第一年所收集数据的分析。伊沙克-布沙基介绍了从DESI数据中推断出的宇宙学结果及其对宇宙的影响。研究人员还在预印本网站arXiv上发布的多篇论文中分享了第一年收集的数据结果。位于亚利桑那州基特峰国家天文台（KPNO）的DESI仪器从宇宙最遥远的地方收集光线，使科学家能够绘制出宇宙年轻时的样子，并追溯其演变到今天所观测到的情况。了解宇宙是如何演变的，关系到宇宙是如何终结的，也关系到物理学中最大的谜团之一：宇宙正在加速膨胀，这背后究竟隐藏着什么？对DESI第一年数据收集工作的分析证实了科学家们所认为的宇宙最佳模型的基本原理，但同时也暗示，关于宇宙加速的根本原因，还有更多的东西需要了解。DESI绘制了迄今为止最大的宇宙三维地图。地球位于这张完整地图的薄片中心。在放大的部分，很容易看到我们宇宙中物质的底层结构。图片来源：Claire Lamman/DESI合作；cmastro定制的彩色地图软件包宇宙加速度是个问题，因为它违背了在太阳系和附近太空中观察到的万有引力的工作原理，而万有引力会使有质量的物体聚集在一起。伊沙克-布沙基说："引力把物质拉在一起，所以当我们把一个球抛向空中时，地球的引力会把它拉向地球。但在最大尺度上，宇宙的作用却不同。它的行为就像有一种排斥力在把宇宙推开，加速宇宙的膨胀。这是一个大谜团，我们正在多方面进行研究。它是宇宙中未知的暗能量，还是爱因斯坦引力理论在宇宙尺度上的修正？"许多科学家认为暗能量在宇宙加速中起着关键作用，但对它的理解并不透彻。一些理论认为，暗能量是一个宇宙学常数，是空间的固有属性，是加速的驱动力。为了研究暗能量在过去110亿年中的影响，DESI小组利用迄今为止最精确的测量方法绘制了有史以来最大的宇宙三维地图。这是科学家首次以优于1%的精度测量年轻宇宙的膨胀历史。宇宙的主要模型被称为 Lambda-CDM。它既包括普通物质，也包括一种很少相互作用的物质，即冷暗物质（CDM）和暗能量，称为 Lambda。物质和暗能量都影响着宇宙的膨胀方式，但两者的方式截然相反。通过引力吸引，物质和暗物质减缓了宇宙的膨胀，而暗能量则加速了宇宙的膨胀。每种物质的数量都会影响宇宙的演化过程。伊沙克-布沙基说，这个模型可以有效地验证以前的实验结果，并描述宇宙在整个时间段内的样子。这段动画展示了重子声波振荡如何充当测量宇宙膨胀的宇宙尺。资料来源：克莱尔-拉曼/DESI 合作和珍妮-努斯/伯克利实验室然而，当 DESI 的第一年结果与其他研究的数据相结合时，就会发现与 Lambda-CDM 模型预测的结果有一些微妙的差别。Ishak-Boushaki说："我们的研究结果表明，宇宙标准模型出现了一些有趣的偏差，这可能表明暗能量正在随着时间的推移而演变。我们收集的数据越多，就越有能力确定这一发现是否成立。有了更多的数据，我们可能会为我们观察到的结果找出不同的解释，或者证实它。如果它持续存在，这一结果将揭示导致宇宙加速的原因，并为了解我们宇宙的演变迈出一大步"。更多的数据还将改进DESI的其他早期成果，这些成果涉及哈勃常数（衡量当今宇宙膨胀速度的指标）和中微子粒子的质量。DESI是首个进行完全盲法分析的光谱实验，它对科学家隐瞒了真实结果，以避免潜意识中的确认偏差。研究人员"盲目"地使用修改过的数据，并编写计算机代码来分析他们的发现。一切完成后，他们将分析结果应用于原始数据，以揭示实际答案。"Ishak-Boushaki博士的研究以及他与大约70个机构的科学家的合作揭示了关于我们宇宙的重要见解，其结果令人着迷，"NSM院长兼Francis S. and Maurine G. Johnson杰出大学讲座教授David Hyndman博士说。"UT达拉斯分校拥有如此世界一流的研究项目，看到我们的科学家在基础性发现中发挥关键作用，真是令人振奋"。 ... PC版： 手机版：

《赵峥教授《宇宙学16讲》》

《赵峥教授《宇宙学16讲》》 简介：赵峥教授的这16讲围绕宇宙学展开，系统且全面地介绍宇宙学知识。课程从宇宙的起源，如大爆炸理论讲起，深入探讨宇宙的演化过程，包括星系的形成、恒星的生命周期等。还会涉及到现代宇宙学的前沿研究成果，如暗物质、暗能量等神秘概念。赵峥教授凭借深厚的专业知识，将复杂的理论以通俗易懂的方式呈现，帮助学习者构建起对宇宙学的基本认知框架，激发对宇宙奥秘的探索兴趣 。 标签： #宇宙学 #天文科普 #大学课程 #科学知识 #学术讲座 文件大小：NG 链接：

南极突破性研究让暗物质成为焦点

南极突破性研究让暗物质成为焦点 这台望远镜位于美国国家科学基金会的阿蒙森-斯科特南极站，2017年接收了一台名为SPT-3G的新相机。SPT-3G配备了16000个探测器，是其前身的10倍，是阿贡国家实验室部分领导的多机构研究的核心。其目标是测量被称为宇宙微波背景的微弱光线。宇宙微波背景是宇宙大爆炸的余辉，当时宇宙从近 140 亿年前的一个能量点爆发出来。宇宙微波背景是宇宙中最古老的光，它穿越了遥远的距离才到达我们身边。在其漫长的旅程中，来自巨大宇宙结构的引力使其轨迹发生弯曲，然后被南极望远镜捕捉到。图片来源：Zhaodi Pan/阿尔贡国家实验室"CMB是宇宙学家的藏宝图，"论文的第一作者、阿贡的玛丽亚-戈珀特-迈尔研究员潘昭迪说。它微乎其微的温度和偏振变化为我们提供了一个了解宇宙雏形的独特窗口。这篇发表在《物理评论 D》上的论文首次提供了来自 SPT-3G 的 CMB 引力透镜测量结果。当宇宙中巨大的物质网扭曲穿越空间的 CMB 时，就会发生引力透镜现象。如果你把一个酒杯的弧形底座放在书页上，酒杯就会扭曲你的视线，让你看不清后面的文字。同样，望远镜视线中的物质会形成一个透镜，使CMB光和我们的视线发生弯曲。爱因斯坦在他的广义相对论中描述了这种时空结构的扭曲。对这种扭曲的测量提供了有关早期宇宙和暗物质等奥秘的线索，暗物质是宇宙的一种不可见成分。暗物质很难探测，因为它不与光或其他形式的电磁辐射相互作用。目前，我们只能通过引力相互作用来观测它。自 20 世纪 60 年代发现 CMB 以来，科学家们一直在研究它，通过地面和太空望远镜对其进行观测。尽管最新的分析只使用了 2018 年几个月的 SPT-3G 数据，但引力透镜的测量已经在该领域具有竞争力。"这项研究真正令人兴奋的部分之一是，其结果来自于我们刚刚开始使用SPT-3G进行观测时的调试数据结果已经很棒了，"论文共同作者、阿贡物理学家艾米-本德（Amy Bender）说。我们还有五年的数据正在进行分析，所以这只是预示着未来的发展。南极望远镜干燥、稳定的大气层和偏远的地理位置在寻找 CMB 模式时尽可能减少干扰。尽管如此，来自高灵敏度 SPT-3G 相机的数据仍然包含来自大气层以及银河系和河外星系的污染。由于研究人员需要验证数据、过滤噪声和解释测量结果，因此即使分析 SPT-3G 几个月的数据也是一项持续数年的工作。研究小组利用阿贡实验室计算资源中心的一个专用集群（一组计算机）来运行研究中的一些计算。潘说："我们发现，这项研究中观测到的透镜模式可以很好地用广义相对论来解释。这表明我们目前对引力的理解在这些大尺度上是正确的。这些结果还加强了我们对宇宙中物质结构如何形成的现有理解。"SPT-3G从更多年的数据中获得的透镜图也将有助于探测宇宙膨胀，即早期宇宙经历了快速指数膨胀的观点。宇宙膨胀是"宇宙学的另一块基石"，科学家们正在寻找早期引力波的迹象以及这一理论的其他直接证据。引力透镜的存在会对宇宙膨胀的印记产生干扰，因此有必要消除这种污染，而这种污染可以通过精确的透镜测量来计算。新的 SPT-3G 数据中的一些结果将巩固现有的知识，而另一些结果则会提出新的问题。"每当我们增加更多的数据，我们就会发现更多我们不了解的东西，"在芝加哥大学联合任职的本德说。"当你一层层剥开这层洋葱时，你会越来越了解你的仪器，也会越来越了解你对天空的科学测量。"潘说，人们对宇宙中看不见的成分知之甚少，因此任何了解都至关重要： "我们对暗物质的分布了解得越多，就越接近于理解它的性质及其在形成我们今天所生活的宇宙中的作用。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

挑战现有模型 中国科学家发现宇宙更年轻

挑战现有模型 中国科学家发现宇宙更年轻 在标准宇宙学模型中，先形成小结构，然后逐级并合，形成越来越大的结构。大质量星系群和星系团作为宇宙中最大的结构，其维里化状态反映了宇宙演化的状态。研究团队测量了813个大质量星系群周围卫星星系对的动力学，特别侧重于沿视线方向的运动相关性。结果发现，分布在中央星系两侧的卫星星系对，相对于中央星系的视向速度偏移，更倾向具有相同方向，而卫星星系对同向运动通常表征了它们沿着大尺度结构被吸积的过程。卫星星系对同向运动的超出在基于标准宇宙学模型的数值模拟中也被预测到，但其比例要远低于观测结果。观测数据相比于两个数值模拟的预测值，分别出现了4.1σ和3.6σ的超出。观测和理论预测之间的巨大差异，表明在真实的宇宙中，大质量星系群比根据宇宙微波背景辐射推测的形成更晚，因此也预示了更年轻的宇宙，倾向于支持比PLANCK结果更高的哈勃常数，更接近于近邻宇宙中对哈勃常数的测量结果，这挑战了目前的宇宙学模型。另一方面，目前数值模拟中的重子物质过程偏差，也提供了一种可能的解释。未来需要结合理论和观测的进一步发展，才能最终确定宇宙的年龄。上图中，左侧是往大质量星系群中掉落的星系，其中红色区域为一个大质量星系群，黄色圆圈里的为正沿着大尺度纤维状结构掉落的星系，它们相对于中央星系沿相同方向运动。右图是同向运动卫星星系对占比随张角的变化。黑色带圆点的实线为观测结果，蓝线和红线为理论模拟预测结果，黑色虚线为随机分布，阴影区为自举标准误差范围。 ... PC版： 手机版：