问伊桑:暗物质不能由微粒组成吗?


尽管银河系中的大多数暗物质都存在于包围着我们的巨大光晕中,但TM的每个单独粒子在重力的影响下均沿椭圆轨道运动。 如果TM粒子本身就是反粒子,并且我们将弄清楚如何利用它们,它们可以成为理想的能源。

从物质到辐射,我们在宇宙中发现的所有东西都可以分解成最小的组成部分。 这个世界上的一切都由原子组成,原子由原子核和电子组成,原子核由夸克和胶子组成。 光还包括粒子-光子。 从理论上说,甚至引力波都是由引力子组成的:我们有一天可以获取并记录的粒子。 暗物质呢? 其存在的间接证据是不可否认的,并且是压倒性的,但是它是否一定包含微粒? 这是读者问我们的:
如果将暗能量定义为空间结构中固有的能量,难道我们所感知的“暗物质”还是空间的整体功能-与暗能量强烈或弱相关吗? 也就是说,它不是由粒子组成的TM,而是可以通过重力作用(均匀或不均匀)穿透整个空间,这可以解释我们的观察结果-类似于“暗质量”?

让我们看一下证据,看看它们告诉我们的可能性。


空间的膨胀(或收缩)是宇宙包含质量的必然结果。 但是扩张的速度及其时间的变化在数量上取决于宇宙的内容。

宇宙最显着的特性之一是它的内容和随着时间变化的膨胀率之间的直接关系。 通过对各种单个信息源(恒星,星系,超新星,CMB和宇宙的大型结构)进行多次仔细的测量,我们能够测量这两个量并确定宇宙的组成。 原则上,我们可以想象宇宙可以组成的一整套东西-但是所有这些东西都会对宇宙膨胀产生不同的影响。


各种成分以及对宇宙能量密度及其可能占主导地位的时间的贡献。 如果宇宙线畴壁以一定数量存在,它们将对宇宙的扩展做出重大贡献。

由于有了今天的完整数据,我们知道了宇宙的组成部分:

  • 68%-暗能量,其密度随空间扩展而保留;
  • 27%-暗物质具有重力作用,其密度随着体积的增加而降低,在其他人认为可以通过测量得出的结果中,它们不会相互作用;
  • 4.9%-正常物质,经历所有物理相互作用,密度随着体积增加,结块和由颗粒组成而降低;
  • 0.1%-中微子受到引力和弱核相互作用的影响,由粒子组成,只有当它们减速到足以像物质一样运转而不像辐射那样减速时才会聚集;
  • 0.01%的光子经历重力和电磁相互作用,表现为辐射; 随着体积的增加,它们的密度减小,并且波长延伸。

随着时间的流逝,这些各个组成部分的重要性发生了变化,所指示的百分比代表了当今的宇宙。


表观膨胀速度(y轴)与距离(x轴)的关系图对应于宇宙,该宇宙过去以更快的速度扩展,但今天正在扩展。 这是图表的现代版本,比哈勃的主要著作扩展了数千倍。 不同的曲线对应于宇宙的不同可能组成。

根据我们的最佳测量,暗能量在宇宙的不同区域,天空的各个方向以及宇宙历史的所有时刻具有相同的属性。 换句话说,暗能量看起来是均匀且各向同性的:它在任何地方始终都是相同的。 据我们所知,暗能量不一定是由粒子组成的。 它可能仅仅是空间结构中固有的属性。

但是,暗物质与之根本不同。


在最大尺度上,如果不使用暗物质,则无法在模拟(红色)中复制观察到的星系团(蓝色和紫色)

为了形成我们观察到的宇宙结构,尤其是在最大的宇宙尺度上,暗物质不仅必须存在,而且必须具有凝聚的能力。 它不可能在所有空间中都具有相同的密度。 它应集中在高密度区域,而在低密度区域则稀疏或根本不存在。 通过进行各种观察,我们可以准确地说出不同空间区域中包含多少TM。 这是三个最重要的观察结果。


关于大规模星团(点)的数据以及基于包含85%暗物质和15%正态物质(实线)的宇宙的预测非常准确。 线的曲率表示TM的温度; 偏差的程度表征了暗物质与普通物质的比率。

1)物质的光谱密度 :有必要确定物质在宇宙中的位置,以可见星系的相关性在什么尺度上可见-距离选定星系一定距离的星系存在概率的量度-并将其全部标记出来。 如果宇宙由均质物质组成,则最终结构将是模糊的。 如果宇宙中的TM在开发之初就没有结块,那么小规模的结构将被破坏。 物质的光谱密度告诉我们,宇宙中约85%的物质属于TM,与质子,中子和电子完全不同,并且该TM显得冷或动能比其静止质量低。


通过引力透镜重现的星系Abell 370中的质量分布显示出两个大且开放的质量晕,分别对应于两个合并的HM。 在每个星系,每个星团和大质量星团的周围以及整个体积中,平均存在5倍的TM。

2)重力透镜 。 如果您看着一个巨大的物体,例如类星体,星系或星系团,您将看到它的存在如何扭曲其背后的物体的光线。 既然我们知道了爱因斯坦广义相对论所控制的重力定律,那么根据光的曲率,我们就可以计算出每个物体中存在的质量。 由于采用了一整套不同的方法,我们可以确定正常物质中存在的质量:恒星,气体,尘埃,黑洞,等离子等。 再一次,我们发现,平均而言,物质的85%与HM有关,而且与稠密的正常物质相比,HM以更弥散的,像云一样的方式分布。 弱镜头和强镜头都可以证实这一点。


遗留辐射猝发的结构根据宇宙的内容而变化

3)文物辐射 。 如果研究大爆炸留下的辐射的余辉,我们会发现它大致均匀:在各个方向上为2.725K。 如果您深入研究细节,将会很清楚,在所有角度范围内,它的瑕疵都只有几十微米到几百微米。 这些波动告诉我们许多重要的事情,包括正常物质,暗物质和暗能量的密度之比,但他们说的最重要的是,宇宙在电流的0.003%时是多么均匀,然后它的最稠密部分只是比最小密度高0.01%。 换句话说,暗物质开始完全均匀,并最终集总!


对宇宙的详细研究表明,它是由物质组成的,而不是由反物质组成的。 暗物质和暗能量必须存在于其中,而这些神秘物质的来源是我们所不知道的。 但是,CMB辐射的波动,大型结构的形成和相关性以及现代引力透镜观测-所有这些都汇聚在同一张图片中。

综合所有这些,我们得出结论,TM必须像液体一样渗透到宇宙中。 这种液体的压力和粘度可忽略不计,它对辐射压力有反应,不会与光子或正常物质发生碰撞,是天生的冷和非相对论性,并且在自身重力的作用下会聚在一起。 它最大程度地控制了宇宙结构的形成。 它是非常不均匀的,其异质性的大小会随着时间而增加。



这就是我们可以说的最大规模的内容-有观测的地方。 在小范围内,我们怀疑-但不确定-暗物质由具有使其在大范围内表现出较大性能的粒子组成。 我们之所以这样假设,是因为据我们所知,宇宙仅由粒子组成,仅此而已! 如果是物质,如果它有质量,那么它也有一个量子倍数-在某种程度上应该是粒子。 但是,直到我们直接检测到该粒子,我们才无法拒绝另一种可能性-TM是一个行为类似液体的特定场,但其影响时间与粒子团相同。


对由WIMP组成的暗物质的实验限制非常严格。 最低的曲线排除了位于其上方的所有元素的TM横截面和质量

因此,直接检测TM的尝试非常重要! 作为一位理论家,他撰写了有关大型结构形成的博士学位,我非常了解,我们可以在预测大型观测领域中完成很多工作。 但是,理论上我们不能做的是说TM是否由粒子组成。 唯一的检查方法是直接检测它。 没有这一点,就可以收集令人信服的间接证据,但它们不会是结论性的。 显然,它与暗能量无关,因为暗能量在整个空间中是真正均匀的,并且预测准确地告诉了我们它如何通过重力和其他大规模相互作用而相互作用。


暗物质的流动控制着星系的积累和大规模结构的形成-从KIPAC /斯坦福大学的模拟中可以看出这一点

但是它是否包含微粒? 在发现这个粒子之前,我们只能推测一下。 宇宙至少对于所有类型的物质都展示了其量子本质,因此可以合理地假设暗物质将是相同的。 但是,应该记住,这种推理有其局限性。 毕竟,最终,所有事物和所有地方都遵守相同的规则,但是直到它不再遵守! 使用TM,我们处于未知领域,面对宇宙的巨大奥秘,保持谦虚非常重要。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN412219/


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