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向伊桑66号问：我们发现暗物质了吗？

没办法 我们发现的东西虽然是个谜，但肯定不是我们宇宙失去的质量


时间吸收了它本身的一切，时间把过去带到了更远的地方，最后只剩下了黑暗。黑暗。
-斯蒂芬·金

但是我们还没有结束时间，而是一周的结束。是时候回答“问问Ethan”列中的下一个问题了，在一个非常好的问题中，我从Joe Lathon中选择了一个问题，他问了最近的新闻：

我在物理出版物上读了很多标题，例如“研究人员发现了暗物质的可能信号 ”。 。您能以自己固有的表现力来解释问题的背景和这些新闻的实质吗？

让我们给乔他所需要的！



首先，存在暗物质的问题。研究银河星团-例如，如上图所示的Veronica Hair星团，我们可以应用两种方法来测量其物质：
  1. 查看从中发出的电磁信号的整个光谱，不仅包括发出光的恒星，还包括在光谱的其他部分发出和吸收的光。这将为我们提供有关气体，尘埃，等离子，中子星，黑洞，矮星乃至内部行星数量的信息。
  2. 跟踪集群中物体的运动（在本例中为单个星系），并利用重力定律的知识来计算其总质量。


比较获得的值，我们将看到正常物质的整体是否属于或是否应该由质子，中子和电子构成的其他物质。



对于单个星系也可以这样做。只需查看所有波长的星系的所有不同成分。对于星系和星团，我们发现恒星形式的质量，然后是中性气体形式质量的5-8倍，等离子形式的质量很小（尽管在星际空间中充满），而其他形式的质量很小质量的组合类型。平均而言，除了所有恒星的总质量之外，由正常物质组成的其他成分的质量大约是其八倍。

但是，从重力中去除总质量，我们发现了一些出乎意料的事情。为了证明所有观察到的引力效应是正确的，例如不同螺旋中不同距离的星系的旋转速度以及相对于星团中心的单个星系的速度，我们需要的质量不是恒星总质量的八倍，而是五十倍！



这种差异以及今天我们发现宇宙中所需物质的质量比正常物质多五倍的事实被称为暗物质问题。大量观测结果（包括对标准天文蜡烛的距离和红移的测量，对宇宙中大型结构的大规模观测，对银河星团碰撞的观测以及对微波宇宙背景辐射（大爆炸的余辉）的精确测量）表明，问题不在重力理论中，并且存在着一种新型的物质，在宇宙中它是普通原子的五倍。

而且这种新形式的物质-暗物质-不会通过电磁力与物质和辐射发生相互作用。



还已经确定，不管这种暗物质是什么，它们都不是标准模型中的普通颗粒。这些不是夸克，不是玻色子，甚至不是中微子。不管是什么，它都必须是尚未发现的新型粒子。

根据此类粒子应具有的引力特性，应将它们收集在巨大的光环中，包括银河系周围和星团周围的巨大稀球体中。




在大多数暗物质模型中，都假定其粒子应该是它们自己的反粒子。因此，在暗物质密度最大的地方（在星系和星团的中心），有可能将其消灭。在这种情况下，两个an灭的粒子将发射两个光子，每个光子的能量（以节省能量和动量）将对应于粒子的其余质量。




听起来不错吧？我们只需要将带有高能探测器的望远镜，我们的X射线和伽马射线天文台发送到星系和星团的中心，并寻找这种signals灭的信号。这意味着寻找与已知粒子不对应的能量谱线。

废话吧



不，等一下。问题在于，在宇宙中，地球上存在许多我们不了解的高能现象！怎么了因为我们无法重现所有发生在太空中的奇怪现象，而且我们不知道是我们观察到的许多（或什至大多数）伽马射线和X射线背景的原因是什么。

换句话说，有很多已知的但我们未知的X射线和伽马射线源。

据乔说，今年在仙女座星系和珀尔修斯星团的原子核中发现了一条新的X射线线 -约为3.5 keV。



它的原因是否很普通，例如超大质量黑洞周围加速的粒子？

还是这个原因是一个新粒子-例如相同的无菌中微子-负责暗物质，an灭并因此显示其静质量等于（通过E = mc 2）3.5 keV？ （如果是衰变粒子，则为两倍，即7 keV）。



该新闻希望您相信第二种选择是可能的-如果发现暗物质会很酷？但是，该信号不仅尚未得到真正的确认（即使对于组合数据集，检测值也为4σ，当发现的标准为5σ时），它仍然不能对宇宙中的暗物质负责！

怎么了看看大爆炸之后38万年的宇宙密集和稀有区域的照片：宇宙微波背景辐射。



不难想象，那时的宇宙更年轻，更年轻，但很容易忘记它也更热。这不仅意味着辐射很热，而且意味着其中的物质以更高的速度运动。这不仅适用于原子等正常物质，也适用于暗物质。

为什么这很重要？因为由于重力塌陷而进入团块并保持结构，物质必须足够缓慢地移动，否则不会发生塌陷。而且，如果暗物质太亮，则该结构将无法尽早形成以满足观察结果！



我们可以用什么作为限制？最好的测量值来自被称为Lyman-alpha森林的现象，该现象可用来衡量重力引力结合在一起的气态云的重力井的年龄。当然，最稠密的物体将变成恒星，星系和类星体-但是气体云将介入此过程，并且它们将以特征频率吸收部分光。



研究“森林线”的深度，特别是在开始时，我们可以限制暗物质的重量。即使在最自由的情况下，您也可以看到吸收线非常强-它们对应于暗物质非常冷的事实-这意味着其质量从下方受到限制。



那是什么意思呢？现在，根据观察到的吸收线的强度，它应该大于10 keV。换句话说，它比“暗物质信号”重3倍（如果是正在衰减的粒子，则重50％）！

不要误会我的意思，发现潜在的新的X射线辐射线非常有趣，并且可能为我们打开新的天体物理学，或者可能（尽管不太可能）为新型粒子打开。但是，即使事实证明它是一个新粒子，它也不属于暗物质，因为这会违反宇宙的整个结构（尤其是小尺度），而我们对这些结构的观察则排除了这种情况。



那么什么是有趣的，但不是暗物质？绝不，只有我们在很多地方搞砸了。

谢谢您提出了一个很好的问题，我希望您和其他人都可以清楚地理解。向我发送您对以下文章的问题和建议。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN395571/

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