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    这就是最早期宇宙图像揭示的暗物质

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      普朗克

      现代科学最大的奥秘之一就是暗物质之谜。如果把所有构成行星、恒星、气体、等离子体、黑洞、星系以及星系之间空间的所有正常物质加起来,即宇宙中已知的所有物质,这也不足以解释我们所理解的重力。这无法解释单个星系、星系群、星系碰撞、引力透镜或宇宙大尺度结构。所以一定有其他东西存在于宇宙之中,而且不是寻常物质(普通物质)。

      这就是最早期宇宙图像揭示的暗物质

      当观测可观测宇宙历史时间轴时,就越向前远离大爆炸的时间节点,可以观测到的部分变得越来越宽阔。然而,大爆炸留下的余辉今天依然可见。图片:NASA / WMAP science team

      博科园-科学科普:科学家把这种神秘物质的命名为暗物质。因为它与光和普通物质没有相互作用,而且无法被看到。物质因为它的引力,紧紧抱在一起。虽然关于暗物质到底是什么东西存在着争议,但暗物质的存在几乎是可以肯定的,因为它在任何天文观测中都有可能出现。在本世纪初发现最早宇宙图像中,可以看到:大爆炸的余辉。

      这就是最早期宇宙图像揭示的暗物质

      如果望远镜的条件允许,可以观测到宇宙的任何一个角落。但是当宇宙布满电离的等离子体时,就没有比宇宙微波背景辐射(CMB)“最后散射面”探测更远的办法了。宇宙微波背景辐射(CMB)中的冷点(蓝色显示)并非自然而生,而是由于物质密度较大而产生较大引力的区域,而热点(红色)温度更高,因为该区域的辐射遍布存在于较浅的引力波中。图片:E.M. Huff, the SDSS-III team and the South Pole Telescope team; graphic by Zosia Rostomian

      数十亿年前,宇宙更加致密,更加均匀,更接近宇宙大爆炸。今天的巨大星系团需要数十亿年的时间才能形成,数以千万计的恒星组成了第一批恒星,数以亿计的恒星组成了第一批星系。任何单个光子的能量都与它的波长成正比,当宇宙膨胀时,所有的“长度”都延伸(到更低的能量);早期的宇宙不仅小,而且更热。在过去的某个时刻,宇宙足够热,以至于形成的每一个中性原子,每一个与原子核结合的电子,都会被在大爆炸中产生的辐射分解成成自由离子。

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      不能在一个稳定的结构中形成中性原子,直到宇宙冷却到足够多的光子从宇宙微波背景辐射(CMB)下降到一定的能量。图片:Amanda Yoho

      在宇宙冷却到足以形成中性原子之前,光子在周围飞来飞去,并且毫不留情地进入电子。无论何时何地,这种现象总是在不停发生。在形成中性原子之后,只有非常非常特别波长的光子,即导致特定原子的电离或原子跃迁的波长,才能相互作用。在宇宙超过冷却临界值之前,光子和正常物质以极高的速率相互作用。宇宙变成100%充满中性原子和充满离子0%之后,这些光子就以直线的方式流动;它们的波长,在过去的138亿年里,随着宇宙的膨胀而延伸,今天,到达我们的眼睛和探测器。

      这就是最早期宇宙图像揭示的暗物质

      电离等离子体(左)在宇宙微波背景发射之前,其后是过渡到中性(右)透明的宇宙。图片版权:Amanda Yoho

      最初,有一个很好的词来解释宇宙大爆炸中遗留辐射:原始火球。在20世纪60年代中期科学家发现了它,那时起就知道它的温度和波长/频率特性:它在2.725 K处被发现,科学家将其放在光谱的微波部分。它在天空各个方向上具有相同的温度特性,并被称为宇宙微波背景(CMB)辐射。在很长一段时间内,“均衡温度”是宇宙微波背景辐射(CMB)的典型特征。唯一不完美的地方是其他物质吸收、释放或改变微波辐射,如银河系的银河平面。

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      根据彭齐亚斯和威尔逊的原始观察,银河系平面发射了一些天体物理的辐射源(中心),除了上方和底部,其余部分是一个近乎完美的辐射背景。图片:NASA / WMAP Science Team

      随着卫星和气球携带的实验变得更好,科学家开始看到宇宙微波背景中的存在的缺陷。这些都是极其重要的:没有过度密集和密度过低的区域,就无法形成恒星、星系和星系团这样的结构。这些初始波动的尺度和大小决定了现今宇宙将会变成什么样。今天所拥有的巨大而多样的宇宙结构证明了这些源头变化是多么重要。

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      宇宙微波背景辐射(CMB)的波动,大规模结构的形成和相关性,以及现代对引力透镜的观测,在许多其他方面,都指向同一情景:充满暗物质。图片:Chris Blake and Sam Moorfield

      在20世纪90年代,NASA发射了COBE卫星,测量了最大尺度上的波动,发现它们存在于0.003%电平。在20世纪40年代,WMAP使范围缩小到大约一个角度,然后普朗克在2010年代把它降到了0.07度:最小的规模。虽然它可能并不明显,但这些波动不只是告诉我们宇宙在膨胀过程中会演化成什么,也让科学家弄清楚宇宙究竟是由什么构成的。

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      通过改进的卫星图像,大爆炸余辉的细节处理已经越来越好。图片:NASA/ESA and the COBE, WMAP and Planck teams

      宇宙的“创造”应该是密度波动:这些宇宙尺度上的不完美,从宇宙膨胀时便结束。从大爆炸的那一刻起,就出现在所有的尺度上,提供了这些密度过大、密度较低的区域。然而,随着时间的推移,宇宙不只是膨胀和冷却,而是过密的区域试图增长,吸引更多的物质。低密度地区则在“增长”过程中走向衰败,并试图将它们的物质排放到周围不那么密集的区域。但有一个棘手的问题存在:宇宙中正常物质和宇宙中的光子(辐射)相互作用,相互撞击,直到这些中性原子形成为止。

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      宇宙微波背景辐射(CMB)波动是基于膨胀引起的原始波动。特别大尺度上的“扁平部分”(左)在没有膨胀的情况下无法被解释,而波动的幅度限制了宇宙在膨胀结束时达到的最大能量尺度,它远低于普朗克尺度。图片:NASA / WMAP Science Team

      在一个只有正常物质和辐射的宇宙中,引力试图把正常物质拉到密度更大的区域,但辐射对其不利。创造一个高密度的区域会导致其内部的辐射压力上升,这会引起正常物质的相互排斥。由于大爆炸决定了辐射能传播多远,因此,在什么尺度下正常的物质可以被推出去。

      但如果宇宙中存在暗物质,就会有其他事情发生。是的,它会被吸引,而且越来越高的密度会导致辐射压力在相应位置增加。但在正常物质和暗物质之间,以及辐射和暗物质之间没有直接的相互作用。因此,在宇宙微波背景辐射(CMB)中产生的峰谷模式将会不同,这取决于宇宙中每种成分的含量。

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      宇宙微波背景辐射(CMB)峰值的结构由宇宙中欧什么东西决定。图片:W. Hu and S. Dodelson, Ann.Rev.Astron.Astrophys.40:171–216,2002

      最重要的是,宇宙学家可以模拟出一个没有暗物质的宇宙,以及宇宙中暗物质的含量,从大规模结构和x射线簇的观测得出暗物质含量是正常物质的5倍。如果在大爆炸后不久开始进行这两个样本宇宙的研究,然后让它们各自演化,它们都可以在宇宙微波背景辐射(CMB)中创造出峰谷,就像正常物质和光子跳舞一样,但是暗物质既改变了整体物质辐射的舞蹈动作,也添加了不同的舞蹈动作。

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      模拟温度在不同角尺度内的波动,将于宇宙微波背景辐射中测量的宇宙辐射一起出现,然后发现70%暗能量,25%的暗物质,5%的正常物质(L),或有100%的正常物质的宇宙(R)。峰的数目以及峰高和位置的差异一目了然。图片版权:E. Siegel / CMBfast

      所以,所需要做的就是看i奥杰宇宙是否有暗物质存在,换句话说也就是测量这些在宇宙微波背景中出现温度波动峰的相对高度、位置和数量是由暗物质、正常物质、暗能量以及宇宙膨胀率的相对丰度所引起的。很重要的是,如果没有暗物质,只能看到峰值的一半,当将理论模型与观测结果进行比较时,有一种与暗物质相匹配,极具引力的宇宙有效地排除了一个没有暗物质存在的宇宙。

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      从普朗克卫星观测到的CMB中的声波峰的模式有效地排除了一个不包含暗物质的宇宙。图片版权:P.A.R. Ade et al. and the Planck Collaboration (2015)

      事实上,宇宙微波背景辐射(CMB)中有许多峰,告诉我们暗物质一定存在。峰值高度和哈勃常数的测量值约为70 kM/s/MPC,揭示出宇宙大约有68%暗能量,27%暗物质,5%正常物质,和大约0.01%辐射。宇宙微波背景辐射(CMB)是最早的宇宙图像图景,只要我们用光拍摄照片,它很可能是我们所能看到最早的照片。甚至在大爆炸之后138亿后的今天,暗物质存在的证据可能会被抓拍到!

      博科园-科学科普|文:Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

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