最早的星系可能比以前认为的更小更亮 颠覆暗物质理论

最早的星系可能比以前认为的更小更亮 颠覆暗物质理论 在过去的一年半里，詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）拍摄到了宇宙大爆炸后不久形成的遥远星系的惊人图像，让科学家们第一次看到了宇宙的雏形。现在，一组天体物理学家提高了要求：找到时间起点附近最微小、最明亮的星系，否则科学家们将不得不彻底重新思考他们关于暗物质的理论。由加州大学洛杉矶分校天体物理学家领导的研究小组进行了模拟，追踪了宇宙大爆炸后小星系的形成过程，并首次将以前被忽视的气体与暗物质之间的相互作用纳入其中。他们发现，在不考虑这些相互作用的典型模拟中，所形成的星系非常微小、明亮得多，而且形成速度更快，反而显示出更暗的星系。矮星系在宇宙研究中的重要性小星系，也叫矮星系，遍布整个宇宙，通常被认为是最早的星系类型。因此，研究宇宙起源的科学家对小星系特别感兴趣。但是，他们发现的小星系并不总是和他们认为应该发现的星系一致。那些最靠近银河系的星系旋转得更快，或者密度没有模拟的那么高，这表明模型可能遗漏了一些东西，比如这些气体-暗物质的相互作用。发表在 《天体物理学杂志通讯》上的这项新研究通过加入暗物质与气体的相互作用改进了模拟，并发现这些暗星系在宇宙历史的早期可能比预期的要亮得多，当时它们刚刚开始形成。作者建议科学家利用韦伯望远镜等天文望远镜寻找比预期亮得多的小星系。如果他们只找到微弱的星系，那么他们关于暗物质的一些想法可能就是错误的。斯蒂芬五重奏（Stephan's Quintet）是由五个星系组成的视觉组合，由詹姆斯-韦伯太空望远镜提供的近千个独立图像文件合成。加州大学洛杉矶分校的天体物理学家认为，如果冷暗物质理论是正确的，韦伯望远镜应该能发现宇宙早期微小而明亮的星系。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI难以捉摸的暗物质本质暗物质是一种不与电磁或光相互作用的假想物质。因此，它无法用光学、电学或磁学进行观测。但暗物质确实与引力相互作用，人们从暗物质对普通物质构成所有可观测宇宙的物质的引力效应中推断出暗物质的存在。尽管宇宙中 84% 的物质被认为是由暗物质构成的，但它从未被直接探测到过。所有星系都被一圈巨大的暗物质光环所包围，科学家们认为暗物质对星系的形成至关重要。天体物理学家用来理解星系形成的"标准宇宙学模型"描述了宇宙早期的暗物质团块如何通过引力吸引普通物质，导致恒星的形成，并创造出我们今天看到的星系。由于大多数暗物质粒子（被称为冷暗物质）的运动速度被认为比光速慢得多，因此这一积累过程是逐渐发生的。了解星系形成的理论进展但是在130多亿年前，也就是第一批星系形成之前，由来自宇宙大爆炸的氢气和氦气组成的普通物质和暗物质在相对运动。气体以超音速流过移动速度较慢的暗物质的密集区，这些暗物质本应该把气体拉进来形成星系。"事实上，在不考虑流的模型中，这正是发生的情况，"加州大学洛杉矶分校博士生、论文第一作者克莱尔-威廉姆斯说。"气体被暗物质的引力吸引，形成密度大到可以发生氢聚变的团块和结块，从而形成像我们太阳这样的恒星。"但威廉姆斯和"超音速项目"团队的合著者（由加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授斯马达尔-纳奥兹领导的一组来自美国、意大利和日本的天体物理学家组成）发现，如果他们在模拟中加入暗物质和普通物质之间不同速度的流效应，气体就会落在远离暗物质的地方，无法立即形成恒星。数百万年后，当积累的气体落回星系时，恒星的形成就会同时爆发。由于这些星系在一段时间内比普通的小星系拥有更多年轻、炽热、发光的恒星，因此它们要亮得多。威廉姆斯说："虽然流星抑制了最小星系中恒星的形成，但它也促进了矮星系中恒星的形成，使它们比宇宙中没有流星的区域更加明亮。我们预测，韦伯望远镜将能够发现宇宙中因这种速度而变得更加明亮的星系区域。事实上，它们应该如此明亮，这可能会让望远镜更容易发现这些小星系，而这些星系通常在宇宙大爆炸后 3.75 亿年才极难被发现。"由于暗物质是无法直接研究的，因此在早期宇宙中寻找明亮的星系斑块可以为暗物质理论提供有效的检验，而这种检验迄今为止还没有结果。"在早期宇宙中发现成片的小而明亮的星系将证实我们的冷暗物质模型是正确的，因为只有两种物质之间的速度才能产生我们正在寻找的星系类型，"霍华德和阿斯特里德-普雷斯顿天体物理学教授诺兹说。"如果暗物质的行为不像标准的冷暗物质，不存在流效应，那么这些明亮的矮星系就不会被发现，我们就需要回到绘图板上去。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家们设计了一种3D打印真空系统来探测暗物质和探索暗能量

科学家们设计了一种3D打印真空系统来探测暗物质和探索暗能量 诺丁汉大学（University of Nottingham）的研究人员开发出一种新方法，利用3D打印真空系统来探测暗物质，并有可能揭示暗能量的本质。该系统操纵气体密度，利用超冷锂原子来探索标量场的影响，旨在观察标量场相变过程中形成的畴壁缺陷。诺丁汉大学实验室中的激光光子系统。资料来源：诺丁汉大学物理学院的克莱尔-伯拉格（Clare Burrage）教授是这项研究的主要作者之一，她解释说："我们可以看到它们对宇宙行为的影响，但我们不知道它们是什么。人们试图测量暗物质的一种方法是引入一种叫做标量场的粒子。暗物质是星系中缺失的质量，暗能量可以解释宇宙膨胀加速的原因。我们正在寻找的标量场可能是暗物质，也可能是暗能量。通过引入超冷原子并研究其产生的影响，我们或许能够解释宇宙膨胀加速的原因，以及这是否会对地球产生任何影响。"研究人员建造三维容器的理论基础是，具有双井电势和直接物质耦合的轻标量场会发生密度驱动的相变，从而形成畴壁。伯拉格教授继续说道："当密度降低时，就会形成缺陷这类似于水冻结成冰时，水分子是随机的，当它们冻结时，就会形成晶体结构，分子随机排列，有的排列成一条线，有的排列成另一条线，这就形成了断层。当密度变低时，标量场中也会发生类似的情况。你无法用肉眼看到这些断层线，但如果粒子穿过这些断层线，可能会改变它们的轨迹，这些缺陷就是暗墙，可以证明标量场理论这些场存在或不存在。"为了检测这些缺陷或暗壁，研究小组创造了一种特殊设计的真空，他们将在新实验中使用这种真空，模拟从高密度环境到低密度环境的移动。利用新装置，他们将用激光光子把锂原子冷却到接近绝对零度的-273，在这个温度下，锂原子具有量子特性，从而使分析更加精确和可预测。物理学院副教授露西娅-哈克穆勒（Lucia Hackermueller）领导了实验室实验的设计工作，她解释说："我们用作真空室的 3D 打印容器是根据暗壁的理论计算建造的，这创造了我们认为能够捕获暗物质的理想形状、结构和质地。为了成功证明暗壁已被捕获，我们将让冷原子云穿过这些暗壁。然后，原子云会发生偏转。为了冷却这些原子，我们会向原子发射激光光子，从而降低原子中的能量这就好比用雪球让大象减速！"团队花了三年时间建立了这套系统，他们希望在一年内取得成果。哈克穆勒博士补充说："无论我们是否证明了暗墙的存在，这都将是我们在理解暗能量和暗物质方面迈出的重要一步，也是一个很好的例子，说明如何设计一个控制良好的实验室实验，以直接测量与宇宙相关但无法观测到的效应。"编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学简单点：什么是氢能源？

科学简单点：什么是氢能源？ 但是，如果我们的飞机和汽车不向环境排放有害的温室气体，而是利用太阳或风力发电，以水为燃料呢？如果这种可再生燃料可以为电网提供后备电力，并且可以从全国各地的加油站购买呢？在这段科学 101 视频中，科学家 Debolina Dasgupta 和 Nancy Kariuki 介绍了氢能的科学、技术和应用。氢是最简单的化学元素或原子类型，我们星球上的水中存在大量的氢。它可以通过水循环自然更新，用作燃料时也不会释放有害物质。由于这些原因，氢气可以在促进清洁环境和减少从交通到电网等领域的温室气体排放方面发挥重要作用。美国能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的科学家们正在利用世界一流的设施和专业知识来降低制氢成本，并为氢动力汽车开发经济实惠的燃料电池。他们还在评估氢的生产、运输、储存和使用方法，以最大限度地减少温室气体排放。科学家们正在努力利用氢气中的能量将这一愿景变为现实，氢气有望在促进更清洁的环境和实现美国到 2050 年实现碳净零排放的目标方面发挥重要作用，换句话说，就是以与碳排放相同的速度从大气中清除碳。氢是最简单的化学元素或原子类型。它仅由一个质子和一个电子组成。它也是最丰富的元素，约占宇宙中已知物质的 75%。水和生物体中都含有大量的氢。我们星球上的水中蕴含着丰富的氢气，它可以通过水循环自然更新。当用作燃料时，它不会释放出碳，因此是一种很有前途的清洁能源。资料来源：阿贡国家实验室氢分子由两个氢原子组成，可用于生产无碳能源。氢分子携带大量能量；一磅氢的能量几乎是一磅汽油或柴油的三倍。然而，氢分子在地球上并不丰富，只占大气层的不到 0.0001%。因此，氢必须从含有氢的其他物质中产生。不使用化石燃料的最常见制氢方法是利用电力将水（H2O）分离成氢（H2）和氧（O2）。这一过程被称为水电解，是一种很有前景的无碳制氢方法，因为电力可以来自核能或可再生能源，如风能和太阳能。科学家和工程师们正在努力改进水电解制氢工艺并降低其成本。在电解过程中，水在阳极分裂成氧气、氢离子和电子。电解质材料允许氢离子通过，但迫使电子单独流向阴极，两者在阴极重新结合形成氢气，用作燃料。资料来源：阿贡国家实验室他们还在开发通过利用和模仿光合作用等生物过程，将太阳能和水直接转化为氢气的方法。氢气生产出来后，有几种使用氢气作为能源的方法。最主要的是燃料电池，它能将氢气和氧气中储存的化学能转化为电能。与汽油发动机不同，燃料电池不会排放二氧化碳等有害气体。与电池不同，燃料电池系统不需要长时间停机充电。与汽油发动机一样，燃料电池系统也可以使用氢气进行补充燃料。氢可以在燃料电池中使用，也可以在发动机中作为燃料燃烧。科学家和工程师们正在努力改进这些技术，以取代化石燃料在交通和电网中的使用。资料来源：阿贡国家实验室正在为汽车、卡车、叉车、公共汽车、轮船和火车开发的一种氢燃料电池将氢分子分裂成电子和质子。电子被迫流经电路，产生可用的电力。同时，质子能够通过薄膜，最终与电子重新结合，并与空气中的氧分子发生反应，生成水，这是唯一的排放物。美国能源部阿贡国家实验室的科学家们正在利用世界一流的设施和专业知识推动氢科学和技术的发展。研究人员正在降低制氢成本，为氢动力汽车开发经济实惠的燃料电池。他们还在评估氢的生产、运输、使用和储存方法，以最大限度地减少温室气体排放。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？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？科学简单点：什么是 X 射线光源？科学简单点：什么是自主发现？ ... PC版： 手机版：

科学家提出搜寻暗物质的新方法

科学家提出搜寻暗物质的新方法 自暗物质被发现以来，科学家们一直未能探测到它，即使几十年来在世界各地部署了多个超灵敏粒子探测器实验也无济于事。现在，美国能源部（DOE）SLAC 国家加速器实验室的物理学家们提出了一种利用量子设备寻找暗物质的新方法。SLAC物理学家丽贝卡-利恩（Rebecca Leane）是这项新研究的作者之一，她认为大多数暗物质实验都在寻找银河系暗物质，这种暗物质会直接从太空发射到地球上，但另一种暗物质可能已经在地球周围徘徊了很多年。利恩说："暗物质进入地球后，会四处弹跳，最终被地球的引力场困住。随着时间的推移，这种热化暗物质的密度会比少数松散的星系粒子更高，这意味着它更有可能撞上探测器。不幸的是，热化暗物质的移动速度要比银河系暗物质慢得多，这意味着它传递的能量要比银河系暗物质少得多传统探测器可能无法看到。"有鉴于此，利恩和 SLAC 博士后研究员阿尼尔班-达斯找到了 SLAC 的科学家诺亚-库林斯基，他是一个新实验室的负责人，主要研究用量子传感器探测暗物质。库林斯基说，科学家通常认为这是因为冷却系统不完善或环境中存在热源。但他说，可能还有其他原因："如果我们实际上有一个完美的冷系统，而我们无法有效冷却它的原因是它不断受到暗物质的轰击呢？"达斯、库林斯基和利恩想知道，超导量子设备是否可以重新设计为热化暗物质探测器。根据他们的计算，激活量子传感器所需的最小能量足够低，约为千分之一电子伏特，因此它可以探测到低能量的银河系暗物质以及悬浮在地球周围的热化暗物质粒子。当然，这并不意味着暗物质是量子设备失灵的罪魁祸首只是说它是可能的，下一步就是要弄清楚他们能否以及如何将敏感的量子设备变成暗物质探测器。因此，有几件事需要考虑。首先，也许有更好的材料来制造这种装置。利恩说："我们一开始考虑的是铝，这只是因为铝可能是迄今为止用于探测器的特性最好的材料。但事实可能证明，对于我们正在研究的质量范围和我们想要使用的探测器类型，也许有更好的材料。"利恩说，还有一种可能性是，热化暗物质与量子设备的相互作用不会像银河系暗物质被怀疑与直接探测设备的相互作用那样。在这项研究中只是考虑了暗物质进入并直接弹开探测器的简单情况，但它还可以做很多其他事情。例如，其他粒子可能与暗物质相互作用，改变探测器中粒子的分布方式。"这就是在 SLAC 工作的好处之一。我们确实有相当多样化的小组在从事许多不同的科学研究，我觉得这个项目是 SLAC 研究的一个非常好的协同效应。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学简单点：什么是 X 射线光源？

科学简单点：什么是 X 射线光源？ 在这段"科学 101：什么是 X 射线光"的视频中，科学家杰西卡-麦克切斯尼（Jessica McChesney）和吉尔伯托-法布里斯（Gilberto Fabbris）解释了什么是 X 射线光，以及他们如何在阿贡高级光子源（APS）使用 X 射线光。X 射线光是存在于电磁波谱中的高能量光。该光谱包括所有电磁波的范围，从能量最低的长波（调幅无线电波）到中间波（可见光），再到能量最高的短波（伽马射线）。阿贡的 APS 使用的是波长较短的 X 射线。较短的波长允许 X 射线穿过许多物质，这使得像杰西卡和吉尔伯托这样的科学家能够深入观察物体，发现有关材料结构和功能的新知识。APS 是世界上最强大的 X 射线光源之一，每年有来自世界各地的 5500 多名科学家利用这个巨大的研究设施测试新材料、制造更好的电池，并为人类面临的最大问题寻找解决方案。要做到所有这些，还需要一个强大的 X 射线光源。X 射线是一种光，但它并不是人们听到这个词时通常会想到的可见光。您可能对牙医用来拍摄牙齿内部照片的 X 光机并不陌生。先进光子源（APS）是美国能源部（DOE）科学办公室的用户设施，位于能源部阿贡国家实验室，它能产生类似的 X 射线光，但比 X 射线光亮十亿倍。这么亮的光能做什么？APS 的工作原理就像一台巨大的显微镜，但与可见光不同，X 射线具有穿透力，使科学家能够看到材料的深处。例如，X 射线束可以聚焦得很紧，科学家可以用它来"看"电池在使用过程中内部发生了什么，从而开发出更节能的电池。几十年来，APS 和世界各地的其他光源一直在改善我们的生活。为它们提供动力的技术粒子加速早在 20 世纪 20 年代就已出现。电磁波谱是各种电磁辐射的范围能量在传播过程中会扩散开来。太阳的温度比地球高得多，因此它发出的辐射能量较高，波长较短。资料来源：美国国家航空航天局APS 的核心是一个储藏环，周围约三分之二英里。它非常大，可以容纳一个棒球场。它的工作是以接近光速的速度，高精度地循环着被称为电子的粒子。电子每天在这个环上绕行数十亿次，在轨道的每一个弯曲处都会释放出耀眼的光芒。APS 将这些光发送到环周围的实验站，在那里进行不同类型的科学实验。APS 是一个国家用户设施，这意味着全世界的科学家都可以使用这一资源。科学家使用它不收取任何费用，但他们的数据必须公开发布。每年，来自世界各地的 5500 多名科学家利用 APS 研究各种各样的问题，从应对温室气体的新方法到加固道路和桥梁的新方法。自 20 世纪 90 年代建成以来，APS 一直是世界领先的 X 射线光源，而它的未来将变得更加光明。一次大规模的升级将取代目前的存储环，它所产生的 X 射线亮度将是现在的 500 倍，从而能够进行更多的实验和创新，改善我们的生活。与世界各地的其他光源一起，APS 将继续使科学家们能够让我们更健康、更安全，并增进我们对周围世界的了解。资料来源：阿贡国家实验室X 射线光源如何工作？先进光子源可以产生超亮的 X 射线束，为新发现照亮道路。先进光子源（APS）等强大的光源与牙医使用的 X 光机类似，只是它产生的光亮度要高出十亿倍。APS 的核心是一系列被称为加速器的机器，它们使用磁铁移动被称为电子的微小粒子。电子聚集在一起，沿着直线加速器直线运动。粒子积聚环可将成串的粒子更紧密地聚集在一起。助推器环在它们积累速度和能量的过程中使它们循环。然后，粒子被注入存储环。电子每天在这个环上绕行数十亿次。在轨道的每一个转弯处，它们都会释放出光子粒子形式的光。这些光子就是 X 射线光，它们被发送到环上的各个科研站。科学家们利用这种非常明亮的光线来观察材料的内部深处。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？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？ ... PC版： 手机版：

科学简单点：什么是自主发现？

科学简单点：什么是自主发现？ 在本系列报道中，计算机科学家凯西-斯通（Casey Stone）和阿贡国家实验室纳米材料中心主任伊尔克-阿尔斯兰（Ilke Arslan）将为我们介绍自主发现的内幕。自主发现是一个利用机器人技术、人工智能和机器学习的过程，以前所未有的速度为世界带来科学突破。自主发现正在彻底改变人们从事科学研究的方式。展望未来，这些过程将帮助科学家找到解决方案，使人类更安全、更健康、更能抵御气候变化的影响。假设你遇到了塑料污染这样的问题，你需要一种更容易回收或再利用的新型塑料。可能有效的聚合物有成千上万种，而且在测试过程中可能会涉及有害化学物质。在过去，我们可能需要几名研究人员在实验室工作台同时测试一种聚合物。而这一过程将耗时数年。通过自主发现，人类研究人员将问题交给了机器人和人工智能。研究人员使用一种叫做机器学习的方法，用庞大的数据集来训练人工智能。这就为人工智能提供了我们已经知道的有关塑料回收、化学过程和潜在聚合物结构的所有信息。人工智能利用这些信息做出最佳决策，决定下一步运行哪些实验。机械臂和采样机每天 24 小时运转，让研究人员安全地远离化学品或其他潜在风险。通过机器学习，人工智能会变得越来越聪明，寻找新的模式和新的实验。人类科学家可以自由地使用他们富有创造力的大脑袋来解释最有趣的结果并采取行动。自主发现将帮助科学家在几天或几周内找到复杂问题的解决方案，而不是几年或几辈子。人类的智慧和想象力仍然是这一创新的核心。阿贡的科学家和技术人员正在寻找创造性的方法来应用自主发现的工具：我们正在创建实验室的"数字孪生体"。这些虚拟现实模型可以帮助研究人员测试机器，并找出在现实生活中的生物和化学实验室安装设备的最佳方法。我们正在探索从抗药性细菌的新疗法到植物如何在土壤中储存碳等一切问题。我们正在构建和解构聚合物链，以找到塑料回收和再循环的新方法。我们正在使用一些世界上最快的超级计算机来运行人工智能和处理来自大规模实验的数据。自主实验室正以前所未有的速度、效率和准确性，帮助将科学解决方案带入我们的生活。这不仅将彻底改变我们从事科学研究的方式，还将推动我们进入一个全新的发现时代。资料来源：阿贡国家实验室自主发现这种新的科学方法将以前所未有的速度带来新的发现。人脑是一台神奇的科学解题机器，但在人类研究人员需要进食或睡觉之前，人体只能解决这么长时间的问题。当今最大的挑战，如气候变化、新出现的疾病和塑料污染，不会等我们去吃个三明治或打个盹。我们现在就需要答案。这就是科学家们从机器人技术、人工智能（AI）和机器学习中获得帮助的原因。我们定义一个问题。人工智能利用机器人系统识别、设置并运行数百个实验，这些机器人系统可以全天候处理问题。通过机器学习，人工智能会变得越来越聪明，寻找新的模式和新的实验。人类科学家可以自由地使用他们富有创造力的大脑袋来解释最有趣的结果并采取行动。自主发现将以 100 倍甚至 1000 倍的速度为我们带来解决方案。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？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？科学简单点：什么是 X 射线光源？ ... PC版： 手机版：