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（GillianBeltz-Mohrmann）和弗洛里安-凯鲁佐雷（FlorianKéruzoré）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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425688.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425688.htm

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（RebeccaLeane）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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429970.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429970.htm

科学家融合人工智能和物理模拟来设计创新材料

科学家融合人工智能和物理模拟来设计创新材料马克斯-普朗克的科学家探讨了人工智能在材料科学中的可能性，并在《自然-计算科学》杂志上发表了他们的评论。先进材料变得越来越复杂，因为它们必须满足有关可持续性和适用性的高要求。DierkRaabe及其同事回顾了人工智能在材料科学中的应用，以及如果与基于物理的模拟相结合，它所开启的未开发的空间。PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1352699.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1352699.htm

科学家发明荧光探针 揭示细胞生物学"暗物质"的新奥秘

科学家发明荧光探针揭示细胞生物学"暗物质"的新奥秘糖在我们的生活中无处不在，几乎存在于我们吃的所有食物中。但这些简单碳水化合物的重要性远不止于美味的甜点。糖对生物体内几乎所有的生物过程都至关重要，天然存在的糖分子种类繁多。Cecioni说："构成生物体的所有细胞都覆盖着一层称为糖的糖基分子。因此，糖几乎处于所有生理过程的第一线，在维持健康和预防疾病方面发挥着根本性的作用"。"锁和钥匙"图。资料来源：塞西奥尼实验室他补充说："长期以来，科学家们认为细胞表面的复杂糖类只是一种装饰。但我们现在知道，这些糖与许多其他类型的分子相互作用，特别是与凝集素--一个庞大的蛋白质家族有着相互作用。"与糖类一样，凝集素也存在于所有生物体中。这些蛋白质具有独特的识别能力，能暂时附着在糖类上。这种相互作用发生在许多生物过程中，例如在感染引发的免疫反应过程中。最近，凝集素引起了人们的广泛关注。这是因为科学家们发现，凝集素"粘附"在糖类上的现象在许多疾病的出现中起着关键作用。塞乔尼说："我们对糖和凝集素之间的相互作用研究得越多，就越能认识到它们在疾病过程中的重要性。研究表明，细菌在我们的肺部定植、病毒入侵我们的细胞，甚至癌细胞欺骗我们的免疫系统，使其误以为自己是健康细胞，都与这种相互作用有关。"难以检测......直到现在关于糖和凝集素之间的相互作用是如何展开的谜题仍有许多缺失，因为它们很难研究。这是因为这些相互作用是瞬时的、微弱的，因此检测是一项真正的挑战。塞西奥尼的两名学生，硕士研究生塞西尔-布施（CécileBousch）和博士研究生布兰登-弗勒兹（BrandonVreulz）想到了用光来检测这些相互作用。三位研究人员开始着手制造一种化学探针，能够"冻结"糖和凝集素之间的相遇，并通过荧光使其可见。糖和凝集素之间的相互作用可以用"锁和钥匙"的关系来描述，其中"钥匙"是糖，"锁"是凝集素。化学家们已经创造出了能够阻断这种"锁与钥匙"相互作用的分子，现在可以准确地识别出哪些糖与凝集素结合，这对人类健康具有重大意义。Cecioni解释说："我们的想法是用发色团（一种赋予分子颜色的化学物质）标记糖分子。这种发色团实际上具有荧光性，这意味着如果糖与凝集素的结合被有效捕获，它就会发出荧光。科学家们就可以研究这些相互作用的内在机制以及可能产生的干扰"。塞西奥尼和他的学生相信，他们的技术可以用于其他类型的分子。他们甚至有可能控制新产生的荧光标记探针的颜色。通过将分子间的相互作用可视化，这一发现为研究人员提供了研究生物相互作用的宝贵新工具，其中许多相互作用对人类健康至关重要。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1397829.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1397829.htm

科学家提出或能像探测流星一样寻找暗物质的新方法

科学家提出或能像探测流星一样寻找暗物质的新方法尽管暗物质占宇宙总质量的85%，但它仍难以被直接探测到。一项新研究提出了一种独特的方法来寻找暗物质，通过将地球的大气层作为一个巨大的探测器来探测像流星一样在空中流动的暗物质粒子。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1328757.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1328757.htm

暗物质与银河碰撞：哈佛天文学家解释银河系的神秘翘曲

暗物质与银河碰撞：哈佛天文学家解释银河系的神秘翘曲哈佛大学的天文学家认为，银河系扭曲的形状是由不规则的暗物质晕造成的。这支持了过去银河系碰撞的理论，并提供了对暗物质性质的见解。图片来源：StefanPayne-Wardenaar；麦哲伦云：罗伯特-根德勒/欧空局虽然科学家们早就通过观测数据知道银河是扭曲的，它的边缘像裙子一样外扩，但没人能解释其中的原因。现在，哈佛和史密森天体物理中心（CfA）的哈佛天文学家们首次进行了计算，从而完全解释了这一现象，有令人信服的证据表明，银河被暗物质的偏离光环所包围。这项工作还支持了目前关于银河系如何演化的思考，并可能为揭开暗物质的一些谜团提供线索。银河系的星系盘是翘曲和喇叭状的，与图中的ESO银河系相似。美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜对这个不寻常的边缘星系进行了成像，揭示了其翘起的尘埃盘的非凡细节，并展示了星系碰撞是如何引发新恒星诞生的。正常螺旋星系（如银河系）的尘埃和旋臂在边缘看去是平的。资料来源：美国国家航空航天局/太空望远镜科学研究所新的计算由格里芬艺术与科学研究生院（GriffinGraduateSchoolofArtsandSciences）的学生韩智源（JiwonJesseHan）领导。这项研究成果发表在《自然-天文学》（NatureAstronomy）杂志上，共同作者包括查理-康罗伊（CharlieConroy）和拉斯-赫恩奎斯特（LarsHernquist），他们都是CfA和天文学系的教师。我们的银河系位于一个叫做恒星晕的弥漫云团内部，恒星晕延伸到宇宙更远的地方。在去年发表的开创性工作中，哈佛大学研究小组推断出恒星晕的形状是倾斜的椭圆形，就像齐柏林飞艇或足球。在此基础上，研究小组假设暗物质光环也是同样的形状，暗物质光环是一个更大的实体，包括银河系内部和周围的一切。暗物质占银河系质量的80%，但由于不与光相互作用而看不见，因此必须推断出暗物质晕的形状。研究小组利用模型计算了倾斜的长圆形暗物质光环内恒星的轨道，发现这与现有的翘曲、耀斑星系观测结果几乎完全吻合。康罗伊说："倾斜的暗物质晕实际上在模拟中相当常见，但没有人探索过它对银河系的影响。事实证明，倾斜是一种优雅的方式，可以解释银河系摇摆不定的圆盘的大小和方向。"长期以来，科学家们一直推测银河系是由于星系碰撞而形成的；天文学家们的工作进一步强调了这一假设。"如果银河系只是在自我演化，那么它就会有这个漂亮的球形光环，这个漂亮的扁平圆盘，"韩说。"因此，光环倾斜并具有类似足球形状的事实表明，我们的星系经历了一次合并事件，即两个星系相撞。事实证明，倾斜是一种优雅的方式，可以同时解释银河系摇摆盘的大小和方向"。他们对暗物质光环可能形状的计算还可能为暗物质本身的性质和粒子性质提供线索，而这在物理学中仍是未解之谜。"Han解释说："在我们的数据中，星系不是球形的，这意味着暗物质与自身的相互作用存在一定的极限。对这些发现的信心可能会带来更好的方法，巧妙地研究构成宇宙大部分的不可观测的暗物质。这包括捕捉暗物质亚晕运动学特征的新方法，暗物质亚晕是围绕星系旋转的微型暗物质晕。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390255.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390255.htm