暗物质 有关暗物质存在的假说 暗物质存在的证明-Macho计划 AMS计划 暗物质 反物质 暗能量 结语

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1 暗物质 有关暗物质存在的假说 暗物质存在的证明-Macho计划 AMS计划 暗物质 反物质 暗能量 结语
暗物质　反物质　暗能量 结语 田桂兰 生物工程

2 你相信吗？ 在浩瀚的宇宙中，银河系的质量约2000亿个太阳质量，如果均匀的分布在银河系空间内，那么平均密度只有10-24g/cm3,也就是每立方厘米只有一个氢原子，像这样稀疏的环境，其密度是实验室里高真空的几十亿分之一

3 假说的提出 宇宙的组成是什么？在宇宙中，除了人们常见的各种发光的星球、星系、星系团、类星体……等等发光的天体，是否还存在着不发光的天体，或物质？ 　　在宇宙中是否还存在不发光物质、不发光的天体？这似乎是不成问题的问题。例如，在太阳的周围有9大行星，有月亮这类的卫星。这些行星或卫星自身并不发光，它们仅能反射光。其实，所谓发光物质只不过是这种暂时不发光的物质处在高温、高压环境的状态而已。所以，在宇宙中是否存在不发光物质的问题，似乎是这些会发光物质所存在的状态的问题，问题是它们在宇宙中所占有的比重如何？如果把宇宙中存在于不发光状态的常见物质，如质子、中子、电子等占发光状态的比重问题，仅仅归结为在其他星系中是否存在着行星、卫星等，那还不是十分重要的问题。 返 回

4 因为9大行星加上可能的彗星，其总质量还不到太阳的1％，更为重要的是处在不发光状态的常见物质，是否在总质量上比发光的星体多一个量级，还是他们只占微不足道的分量，或是彼此差不多，如此等等。因为这涉及天体或星系团演化的基本规律。而更为重要的问题是，宇宙中是否除质子、中子、电子等“会”发光的物质以外，还存在着在原则上就不会发光的物质，或者说，它们自身不仅不能发光，而且也不会反射、折射或散射光，亦即对各种波长的光，它们都是百分之百的透明体！它们就是神秘的暗物质。

5 暗物质是谁最先发现的呢？ 1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。

6 暗物质又是什么呢？ 天文学理论认为，宇宙中除了存在常见的各种发光的星体外，还存在着一种既不发光，又不与光发生作用却具有万有引力的物质（包括可见光、无线波、微波、X射线和R射线等）。暗物质是由什么组成的？它有什么性质？它在宇宙演化中的作用如何？它和现在已知的各种天体的关系如何？对此，人们还知之甚少。 2001年人类第一次观测到的暗物质 　　但是基于宇宙膨胀观测事实、大爆炸核合成理论和基本粒子的相互作用理，科学家们已经给出了一些组成暗物质的可能粒子。 返 回

7 (1)重子 　　　一般认为，暗物质可能以较为常见的形式存在，例如行星尺度的物质 和暗恒星等。根据大爆炸核合成理论和目前观测到的元素丰度数据可以知 道，尽管宇宙中的重子密度小于宇宙物质密度，但却远大于发光物质密度。 　　这表明，尽管暗物质不可能完全由重子组成，但重子物质及其组成的暗天 体应当是暗物质的组成部分之一。 　　一种由重子暗物质组成的可能天体是褐矮星，它们一般也被称为重质 量致密晕体(Mａｃｈｏ)。根据爱因斯坦的广义相对论，这种暗天体可以通过 引力透镜现象来寻。　　　 (2)中微子 　　根据宇宙大爆炸理论，大爆炸不仅是目前可见物质的本源，也是不可 见物质，即暗物质的本源。大爆炸残骸中除了人们熟悉的质子、中子和电 子以外，最主要的粒子就是中微子。由于中微子是稳定的，并且不与光子 发生相互作用，因此整个宇宙应当充满大爆炸所产生的大量的中微子，并 且它们是暗物质的一部分。

8 利用宇宙标准模型人们可以计算出目前中微子的数量，结果是每立方 分米内约存在10亿个中微子。这的确令人吃惊，譬如说，在你的身体中每 一时刻都存在大约1000亿个中微子。然而，由于中微子的质量非常小，或 许为零，它们作为暗物质对宇宙密度的贡献可能很小。 (3)轴子(Axions) 　　 20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的冷“微子，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。

9 轴子是人们为了解决强电荷－宇称(CP)问题而引进的一种假想的玻色 子。理论上，轴子的质量可以为任何值，但一些高能物理实验已显示轴子 如果存在，它的质量也是很小的。因此，轴子对暗物质的贡献也可能很小。
(4)弱相互作用重粒子(WIMP) 　　目前最有希望的暗物质候选者是超对称理论所预言的具有超对称特性 的一类粒子，其中最稳定的是一种中性、重质量的弱相互作用粒子，人们 通常称它为弱相互作用重粒子，即WIMP。 为了解决早期宇宙的热力学平衡 问题，宇宙大爆炸理论也要求存在一种稳定的、弱相互作用量级的重质量 粒子，这种粒子会在宇宙演化的某一时刻从热力学平衡中下来，从而 在宇宙中保持一定的丰度。因此，寻找WIMP已成为当代实验物理学中 一个 十分重要的问题。 返 回

10 Macho 　 在过去的十年中，为了寻找暗物质的候选人，人们花费了不少的力气。一个可能就是，暗物质是由弱相互作用大质量亚粒子组成的，也就是平时所说的WIMP。另外一种可能就是，暗物质是由晕族大质量致密天体（Macho）组成的，例如已经死亡或者正在死亡的恒星（中子星或者冷的矮星）。各种黑洞和行星大小的石块、冰。 　 早在上世纪８０年代科学家就意识到，如果暗物质是以Macho形式存在的话，那么，我们就可以用它对远距离星光的引力作用来判断它的存在。 返 回

11 Macho计划 1991年，美国Lawrence Livermore国家实验室——也就是美国的粒子天体物理研究中心和澳大利亚国立大学的天文学家们就开创了这个计划。这些天文学家花了整整8年的时间来监视大麦哲伦星云中超过一千万颗恒星的亮度。 1993年，他们第一次发现了引力透镜的现象，至今，在大麦云的方向上，他们已经报道了近20次的引力透镜现象，这个结果说明，在银河系的内部和周边地区，有不少的Macho物体，而且，这些物体可能包含多达50%的暗物质。

12 这就是哈勃太空望远镜拍摄的暗物质的第一张照片——一个Macho。

13 我们可以看见，图片中，有一个暗红色的星体，靠近大麦云中的一颗蓝色的恒星，它们之间的距离不超过1角秒.
这张图片是哈勃在那次引力透镜现象发生之后拍摄的。这个现象持续了100天左右的时间。这颗红矮星的亮度、运祥方向和与大麦云中那颗恒星之间的距离，完全符合6年前计算出来的光度曲线。 这也表明，这个Macho是一个暗的矮星，距离我们约600光年，它的质量约是太阳的5%～10%。 所以，认为暗物质的大部分是以小而暗的恒星存在于星系中的这个理论，得到了强有力的支持。

14 AMS计划 AMS（ALPHA MAGNETIC SPECTROMETER） 是为了在外层空间进行寻找反物质、暗物质以及研究宇宙射线实验研制的首台太空磁谱仪。AMS实验是由著名物理学家丁肇中先生主持的，美国、俄罗斯、中国、瑞士、意大利等多国参加的国际合作项目。它对物理学以及对整个自然科学和人类社会的影响是不言而喻的。磁谱仪  是一个设计不太复杂， 但灵敏度非常高的仪器，尺度和一个桌子大小差不多，它的主体是在一个圆筒状的结构中， 放置以钕铁硼为材料的磁场强度很高的永久磁铁， 它由磁铁后方的探测器来记录带不同电荷物质在通过磁场后的偏转轨迹。 左四：丁肇中教授与ＡＭＳ 返 回

15 磁谱仪已于１９９８年送上３００公里高的地球轨道，做１００小时的校正， 然后再在２００１年正式送到太空站上，进行为期三年的实验。整个探测器的机械结构的设计、制造和环境试验是由中国运载火箭技术研究院承担的，精度非常高，能达到航天飞机在起飞和着路时对机械结构强度的十分苛刻的要求。中国水利水电科学研究院承担了对机械结构强度的试验。 丁肇中教授与中国同事 AMS 外观 返 回

16 暗物质　反物质　暗能量 反物质 反物质这个概念，听起来似乎是科幻小说家杜撰出来的。其实，世界上确实存在着反物质，反物质是由反粒子构成的，而反粒子与我们认识的电子、中子和质子等相似，只是电荷相反。有些科学家猜想，在整个宇宙中，物质和反物质是以同等数量存在的。只是，反物质集中在遥远的星系里，与由普通物质组成的星系相距亿万里。 科学家研究认为，宇宙中存在着我们看不见摸不着的“反物质 世界”，它的基本属性同我们周围的世界正好相反。反物质的原子 核是由反质子和反中子构成的“负核”，外有正电子环绕。反物质 一旦同我们世界的“正物质”接触，便会在瞬间发生爆炸，物质和 反物质变为光子或介子，释放巨大能量，产生 湮灭现象. 返 回

17 AMS实验则是继续这些发现的轨迹，进而想想利用AMS探测器寻找反物质与暗物质， 藉此探索下列两个问题： 第一、如大爆炸理论所描述，宇宙的生成应是有相同多的物质与反物质，而我们可以 看到的银河是只有由物质组成，那"反物质"在那里了？ 湮灭 第二、银河物质的质量 远大於我们可以观测、看得见的恒星、气体与尘埃，那会不会有所谓的暗物质存在？ 暗物质与反物质一起,成为物理学至今难以破解的谜团.

18 暗能量 什么是暗能量 宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质还不足以解释宇宙的结构。还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量。
这种神秘成分存在的第一个证据，来源于对宇宙构造的测量。爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围形状。因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。最近对宇宙大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状——是扁平的。这也反过来揭示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了2/3。 第二个证据表明该成分一定是能量。对遥远超新星的观测显示，宇宙扩张速度并不像科学家设想的那么慢；事实上，扩张速度正在加快。宇宙的加速度很难解释，除非有一股普遍的推动力持续将时空结构向外推。 返 回

19 结语 　　暗物质存在与否，虽然已经得到初步证实。但暗物质将由什么样的物质所形成？它们是什么样的粒子或是场，或是二者的统一，仍然需要进一步的研究。宇宙论的理论认为，暗物质可能有两种形态，一种称为热暗物质，即在宇宙形成物质世界时期，暗物质的候选者仍然保持其相对论性粒子状态；另一种称为冷暗物质，即在宇宙形成物质世界时期，暗物质的候选者已经是非相对论性的粒子。这两者将在宇宙演化过程中起着不同的作用，但都不能没有。如何探索、寻找和研究已被天文观测所证实的暗物质？这是21世纪科学的又一难题。

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