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佈日期：2014年6月8日 我們真正能做的就是給你們一些提示，我們不能毀掉你們的驚喜，我們不能洩漏秘密，你們
====================== 暗物質[編輯] 維基百科，自由的百科全書
今期與早期的宇宙質能分佈餅圖
在宇宙學中，暗物質（dark matter），是指無法通過電磁波的觀測進行研究，也就是不與電磁力產生作用的物質。人們目前只能通過重力產生的效應得知，而且已經發現宇宙中有大量暗物質的存在。 現代天文學通過重力透鏡、宇宙中大尺度結構的形成、微波背景輻射等方法和理論來探測暗物質。而根據ΛCDM模型，由普朗克衛星探測的數據得到：整個宇宙的構成中，我們常說的物質佔4.9%，而暗物質則佔26.8%，還有68.3%是暗能量（質能等價）。[1][2][3]暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性，對結構形成也非常關鍵。暗物質很有可能是一種（或幾種）粒子物理標準模型以外的新粒子所構成。對暗物質（和暗能量）的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。 目錄[隱藏]暗物質存在的證據[編輯]
一般星系的自轉曲線：預測值（A）和觀測值（B）。暗物質的存在可以解釋為何在半徑較大時速度幾乎不變。
最早提出證據並推斷暗物質存在的是荷蘭科學家揚·奧爾特，在1932年他根據銀河系恆星的運動提出銀河系裡面應該有更多的質量的想法。[4] 1933年，美國加州工學院的瑞士天文學家弗里茨·茲威基研究后髮座星系團時，使用維里定理推斷出其內部有看不見的物質。[5][6] 星系自轉曲線[編輯]美國女天文學家薇拉·魯賓觀測星系轉速時，發現星系外側的旋轉速度較牛頓重力預期的快，故推測是有數量龐大的質能拉住星系外側組成，以使其不致因過大的離心力而脫離星系[7]。在1980年魯賓和同事將其結果發表了一篇有影響力的論文[8]。 星系與星系團觀測[編輯]2006年，美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E 0657-558進行觀測，無意間觀測到星系碰撞的過程，星系團碰撞威力之猛，使得暗物質與正常物質分開，因此發現了暗物質存在的直接證據[9]。 雖然暗物質在宇宙中大量存在是一個普遍的看法，但是科學家們發現螺旋星系NGC 4736的旋轉能完全依靠可見物質的重力來解釋，也就是說這個星系沒有暗物質或者暗物質很少[10]。 宇宙微波背景輻射[編輯]宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background radiation，簡稱CMB）最初發現於1964年。[11]對於背景輻射的進一步觀測也支持這個理論，並給予了更多架構理論模型的條件。這些觀測中最著名的當屬宇宙背景探測者（COBE）。COBE觀測到2.726 K的輻射溫度，以及在1992年第一次觀測到約十萬分之一的溫度起伏（各向異性）。[12]在隨後的幾十年裡，許多地上或高空氣球實驗對CMB的各向異性作了更進一步的觀測。這些實驗最初的目的是要去量測CMB譜密度的第一峰值，在之前COBE的量測並未給出足夠好的解析度。在2000到2001年間，毫米波段氣球觀天計畫[13]藉由量測觀測CMB的各向異性，發現宇宙是接近平坦的空間結構。在1990年代，第一峰值的量測上不斷提高了敏感度。毫米波段氣球觀天計畫提出了報告指出最大的譜密度波動發生在尺度約為一度角時。這些觀測足以排除宇宙弦作為宇宙結構形成的主因，而趨向於接受暴脹理論。 暗物質的組成及理論模型[編輯]
宇宙成分的推估中，有證據顯示一種暗物質佔極大部分，但是至今依然是理論和謎團。
雖然人們已經對暗物質作了許多天文觀測，其組成成份至今仍未能全然瞭解。早期暗物質的理論著重在一些隱藏起來的一般物質星體，例如：黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。這些星體一般歸類為暈族大質量緻密天體（MAssive Compact Halo Objects，縮寫為：MACHOs）然而多年來的天文觀測無法找到足夠量的MACHOs。[14][15][16]一般認為，難以探測的重子物質（如MACHOs以及一些氣體）確實貢獻了部分的暗物質，但證據指出這類的物質只佔了其中一小部分。[17][18]而其餘的部分稱作「非重子暗物質」。此外，星系轉速曲線、重力透鏡、宇宙結構形成、重子在星系團中的比例以及星系團豐度（結合獨立得到的重子密度證據）等觀測數據也指出宇宙中85-90%的質量不參與電磁作用。這類「非重子暗物質」一般猜測是由一種或多種不同於一般物質（電子、質子、中子、微中子等）的基本粒子所構成。 在眾多可能是組成暗物質的成分中，最熱門的要屬一種被稱為大質量弱交互作用粒子（英文叫做Weakly Interacting Massive Particle，簡稱WIMP）的新粒子了。這種粒子與普通物質的作用非常微弱，以致於他們雖然存在於我們周圍，卻從來沒有被探測到過。還有一種被理論物理學家提出來解決強交互作用中CP問題，被稱為軸子的新粒子，也很有可能是暗物質的成分之一。惰性微中子（sterile neutrino）也有可能是組成暗物質的一種成分。2014年6月22日，台大天文物理所闕志鴻研究團隊發表論文主張，暗物質也可能是一種稱為Ψ暗物質的極輕型粒子，其質量為電子的10-28倍，波長約為一千光年，而密度則為液態水的一百萬倍[19]。 歷史上，人們將可能的暗物質分為三個大類：冷暗物質、溫暗物質、熱暗物質。[20] 這個分類並非依照粒子的真實溫度，而是依照其運動的速率。 雖然可以有第四個稱為複合暗物質（mixed dark matter）的分類，但是這個理論在1990年代由於暗能量的發現而被捨棄。 暗物質的探測[編輯]暗物質的探測在當代粒子物理及天體物理領域是一個很熱門的研究領域。對於大質量弱交互作用粒子來說，物理學家可能通過放置在地下實驗室，背景雜訊減少到極低的探測器直接探測WIMP，也可以通過地面或太空望遠鏡對這種粒子在星系中心，太陽中心或者地球中心湮滅產生的其他粒子來間接探測。人們也希望歐洲大型強子對撞機（LHC）或者未來的國際直線加速器中人工創造出這些新粒子來。 直接探測實驗[編輯]對於暗物質的直接探測實驗一般都這設置於地底深處，以排除宇宙射線的背景雜訊。這類的實驗室包括美國的Soudan mine和DUSE、加拿大的SNOLAB地下實驗室、義大利的大薩索國家實驗室（Gran Sasso National Laboratory）、英國的Boulby mine以及中國四川省錦屏山地下2500米世界最深暗物質試驗Pandax[23]。 目前大部分的實驗使用低溫探測器或惰性液體探測器。低溫探測器是在低於100mK的環境下探射粒子撞擊鍺這類的晶體接收器所產生的熱。惰性液體探測器則是探測液態氙或液態氬中粒子碰撞產生的閃爍。低溫探測實驗包括了CDMS、CRESST、EDEDWEISS及EURECA。惰性液體探測實驗包含了ZEPLIN、XENON、DEAP、ArDM、WARP、LUX和最深的Pandax。這兩種探測技術都能夠從其他粒子與電子對撞的雜訊中辨識出暗物質與核子的碰撞。其他種類的探測器實驗有SIMPLE和PICASSO。 DAMA/NaI、DAMA/LIBRA實驗探測到一年性的事件數變化[24]，並宣稱此現象是源自於暗物質。（隨著地球繞太陽公轉，探測器與暗物質的相對速度會做小幅度的變化。）目前這個說法並未受到證實，同時也很難與其他實驗的結果不相衝突[25]。 方向性的暗物質探測方式是運用太陽系繞行銀河系的運動。利用低壓TPC，我們可以得知反彈路徑的資訊，並藉此去瞭解WIMP與原子核的作用。從太陽行進方向入射的WIMP訊號可以從各向同性的背景雜訊中分離出來。這類的探測實驗包括有DMTPC、DRIFT、Newage和MIMAC。 2009年12月17日，CDMS的研究團隊發表了兩個可能的WIMP事件。他們估計這兩起事件來自已知背景訊號（中子、錯認的β射線或是伽馬射線）的可能性是23%，並作出了這樣的結論：「這個分析結果無法被視作WIMP的有力證據，但我們不能排除這兩起事件來自WIMP的可能性。」[26] CoGeNT實驗於2011年5月公布先前15個月的探測結果，顯示粒子的碰撞率呈現周期性變化，夏天較高而冬天比較低，這可以看作是暗物質存在的證據之一。這個結果支持已經進行了13年的義大利的DAMA/LIBRA暗物質探測實驗。CoGeNT的實驗結果顯示探測到的WIMP的質量是中子質量的5到10倍,這與其他的某些實驗不符,但是其他實驗對低能暗物質的探測精度沒有CoGeNT高[27][28]。 間接探測實驗[編輯]暗物質的間接探測主要是觀測其兩兩湮滅時所產生的訊號。 由於其湮滅所產生的粒子與其暗物質的模型有關，有許多種類的實驗被提出。 假使暗物質是馬約拉那粒子，則兩個暗物質對撞會湮滅產生伽馬射線或正負粒子對。如此可能會在星系暈生成大量伽馬射線、反質子和正電子。實驗計畫PAMELA便是探測這類的訊號。然而在完全瞭解其他來源的背景雜訊以前，這類的探測不足以當作暗物質的決定性證據。[29][30] EGRET伽馬射線望遠鏡過去觀測到了超出預期量的伽馬射線，但科學家認為這多半是來自系統中的效應。[31]自2008年6月11日開始啟動的費米伽馬射線太空望遠鏡則正在搜尋暗物質湮滅產生伽馬射線的事件。[32]在較高能量區間，地上的MAGIC伽馬射線望遠鏡已經對矮橢球星系[33] 以及星系團[34]中的暗物質給予了某些限制。 替代理論[編輯]雖然暗物質是目前在解釋各種星系及星系團觀測結果上最熱門的理論，但目前仍沒有暗物質的直接觀測證據。有一些不包含大量不可探測物質（即暗物質）的替代理論也被提出來解釋這些現象。這些替代理論大致可分成重力理論的修正以及量子重力。兩者的區別在於重力理論的修正單純地只對星系或宇宙尺度的重力效應作出修正，而不考慮量子尺度的問題。然而兩者都主張牛頓或愛因斯坦的理論並不完備，重力在不同的尺度會有不一樣的行為。 重力理論修正[編輯]重力理論修正（MOND）是對牛頓的萬有引力公式修正，以解釋星系自轉曲線等問題而替代暗物質。 量子重力[編輯]量子重力是一個熱門且廣泛的研究領域，有時它被稱作萬有理論。一般來說，它是指企圖統一重力以及量子力學的理論，這兩門物理至今未能被完全整合。迴圈量子重力、超弦理論以及其繼任的M理論皆屬於這類的理論。 量子真空[編輯]物理學家Dragan Slavkov Hajdukovic提出，量子真空中的虛重力偶極能被鄰近重恆星與星系中的重子物質重力極化（gravitationally polarized）。當虛偶極排列時，它們能產生額外的重力場，能與恆星及星系所產生的重力場結合，在星系的旋轉曲線上產生相同的「加速」效應[35][36]。 參見[編輯]
參考資料[編輯]========================暗能量[編輯]維基百科，自由的百科全書
今期與早期的宇宙質能分佈餅圖
在物理宇宙學中，暗能量是一種充溢空間的、增加宇宙膨脹速度的難以察覺的能量形式。暗能量假說是當今對宇宙加速膨脹的觀測結果的解釋中最為流行的一種[1]。在宇宙標準模型中，暗能量佔據宇宙68.3%的質能。[2][3][4][5] 暗能量現有兩種模型：宇宙學常數（即一種均勻充滿空間的常能量密度）和純量場（即一個能量密度隨時空變化的動力學場，如第五元素和模空間）。對宇宙有恆定影響的純量場常被包含在宇宙常數中。宇宙常數在物理上等價於真空能量。在空間上變化的純量場很難從宇宙常數中分離出來，因為變化太緩慢了。 暗能量這個名詞是由麥可·特納引進的。 暗能量的相關解釋[編輯]雖然暗能量存在的證據都來自於間接推測，但有三個主要證據支持：
目前通常假設，暗能量在宇宙中各向同性，密度非常小，且不與通常物質發生任何除引力之外的已知的相互作用（即電磁，強，弱相互作用）。暗能量的密度又非常之小，大概10−29 g/cm3，因此地球上的實驗室應當很難直接發現它。但是因為暗能量應該充滿了所有的宇宙空間，因此它占宇宙質能總量的68%，這顯著地影響了宇宙整體的演化。目前的兩類暗物質理論——宇宙常數理論和基本純量場理論，都包含了暗能量的兩種重要性質——均勻和負壓。 關於暗能量的「負壓」[編輯]根據廣義相對論，造成引力效應的時空彎曲不僅僅受物質的質量影響，也受到物質不同部分之間的應力的影響。其中，壓強是物質的應力的一種形式。物質的質量密度、動量密度和物質的應力張量共同組成了物質的能動張量，共同決定了時空曲率。因此，從由廣義相對論推導出的弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規解中，能看出足夠強的負壓對宇宙演化的影響：當 該加速效應有時被稱作「引力排斥」，但負壓並不會造成個別物質之間的排斥作用，它們仍然是相互吸引的。但是，負壓充斥宇宙，卻會造成類似宇宙背景時空整體被吹漲的效應，結果是宇宙加速膨脹了。 暗能量存在的具體觀測證據[編輯]超新星[編輯]1998年，高紅移超新星搜索隊觀測組發表了Ia型超新星的觀測數據，顯示宇宙在加速膨脹。隨之，1999年，超新星宇宙學計畫計劃證實了該結果。該項工作於2011年獲得諾貝爾獎。 Ia型超新星可被視為測量大尺度長度的標準量天尺。這種超新星爆發時的絕對星等都一樣，只要觀測到他們的視星等，就可以測出它們到地球的距離。而紅移量又能體現退行速度。因此可以將距地球不同距離的Ia型超新星的紅移量與宇宙學方程的預言值進行比較。取定合適的參數，ΛCDM模型模型比較符合觀測。 宇宙微波背景輻射[編輯]無論是何種形式的暗能量，它都對宇宙空間大尺度曲率有貢獻。對宇宙微波背景輻射的觀測，可以測量出宇宙目前的曲率，以及宇宙中暗物質和通常物質的含量。目前的觀測結果是，我們的宇宙接近平坦，因此宇宙的總物質量應該接近等於臨界密度臨界密度。但微波背景輻射測出的宇宙暗物質和通常物質的含量僅有該值的30%左右，則剩下的為暗能量。 威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）衛星耗時七年，給出的數據是宇宙物質的72.8%是暗能量，22.7%為暗物質，通常物質佔4.5%。2013年，普朗克衛星衛星給出的數據是，68.3%的暗能量、26.8%的暗物質、及4.9%的通常物質。。[2][3][4][5] 大尺度結構[編輯]在早期宇宙「光子退藕」發生前，所有物質，包括光子，電子，重子等，都組成了一鍋均勻的「電漿體湯」。在其中，所有的粒子自由程都極短，走一點路程就會被其他粒子散射，所以這種電漿體內部的相互作用極強。當然，這種電漿體也不是完全均勻的，上面會有微小的密度漲落。由於暗物質退藕更早，因此那些密度稍大的部分含有更多的暗物質，這些部分吸引周圍的物質向其靠近。由於這種早期的電漿體內部相互作用非常強，因此在被吸往密度較大的核心的過程中，會聚集而造成局部壓力過大，因此會向周圍輻射一種「重子聲波震蕩」，就如同在水中丟一顆石子，外圍產生一圈波紋一樣。由於暗物質早就退藕了，除了引力之外它不與電漿體相互作用，因此暗物質留在中心，而電漿體則形成了被暗物質吸引的部分的一個核心，以及周圍包裹的壓力較大部分的一個殼狀密度較大區域，那是「重子聲波震蕩」的波前。這個殼狀區域可以以光速的一半向外擴張。 之後，隨著宇宙膨脹，電漿溫度下降，光子退藕出去，形成了今天宇宙微波背景輻射的源頭，而組成殼狀區域的重子和電子物質結合生成原子核。由於失去了光子作為相互作用的傳遞媒介，重子之間的相互作用開始以引力為主，「殼狀區域」不再受波的傳播定律的制約，因而擴散停止，被固定住。由於早期宇宙溫度幾乎是均勻的，而溫度下降到某個值時，光子會突然「同時退藕」，因此所有的「殼狀區域」都會同時固定，繼而只受引力相互作用，只隨宇宙膨脹，而不繼續向外傳播，並且互相干涉，形成宇宙中今天看到的各種複雜結構。這些殼狀區域繼續不停地吸引落入的物質，形成各種星系，因此我們能在宇宙中觀測到各種大小几乎一致的空洞（~150兆秒差距），空洞的周圍是一群星系組成的殼。這種空洞也可以作為宇宙的「量天尺」。 2011年，WiggleZ計劃調查了銀河系附近200,000個星系，利用這些空洞作為標準量天尺校正周圍星系與地球的距離，再測量這些星系的紅移量，類似前述的超新星測量法，也得出了宇宙在大約70億年前開始加速膨脹的結論。同時，它給出了目前宇宙的漲落大約為1/10。 薩克斯-瓦福效應[編輯]我們目前觀測到的宇宙微波背景輻射的光子，在到達探測器之前，走過了很長一段距離。在這段距離上，光子必然受到其附近天體的引力場影響，被紅移或藍移。由於宇宙的物質並不可能完全均勻分布，因此光子經過的路程上將布滿很多引力勢阱或勢壘，這將造成不同方向的背景輻射光子溫度產生差異。當然，由於原始宇宙的量子漲落，微波背景輻射的光子本來就存在由此而來的各項異性，這貢獻了微波背景輻射各項異性的大部。薩克斯-瓦福效應在此基礎上，進一步疊加了一部分各項異性。 宇宙如果加速膨脹，將改變光子運行路上的引力勢阱或勢壘的構造，因此在光子通過勢阱或勢壘的過程中，這種變化的信息就體現在光子中。因此微波背景輻射的各項異性，將有助於我們了解宇宙各個方向的情況。2008年，Ho et al.[6] 以及Giannantonio et al.[7]兩個小組分別報導了他們的分析結論，顯示宇宙在加速膨脹。 關於對暗能量進行理論解釋的嘗試[編輯]宇宙常數[編輯]愛因斯坦的引力場方程並不能禁止一個宇宙常數項。愛因斯坦本人曾引入這一項，使得宇宙存在一個靜態解。雖然愛因斯坦本人宣稱這是他一生中最嚴重的錯誤，但是現在宇宙的加速膨脹效應似乎表明，引力場方程中應該有這麼一項，雖然它很小。 當然，這一項可以直接「手放」進引力場方程中，但是大家更希望給它一個解釋。宇宙學常數項等效於一種物質，它處處存在，且具有負壓強。描述粒子物理的量子場論預言了真空「不空」，它裡面充斥了各種虛粒子漲落，因此真空本身當然具有能量，稱為「真空能」，這種量子效應導致的真空能即等效於一個宇宙學常數。不幸地是，多數粒子物理理論預言的真空能數值過大，通常比測出的暗能量密度（10−29 g/cm3）多出120個數量級，因此這也是粒子物理學理論中一個很深刻的問題。 某些粒子物理學理論，比如超對稱理論，其中各項真空能項可以被抵消。但這樣又帶來一個問題，為何真實宇宙中的真空能又沒有被精確抵消，而殘留了這麼一點點呢？當然，超對稱必須破缺，因此真空能不可能嚴格為0。但另一方面，目前超對稱理論無法被實驗證明是否是正確的，就算它在短期內被加速器實驗證實，它仍然還不是一個有效理論，因為超對稱破缺的具體機制並不清楚，而這也會強烈影響真空能的大小。能否給出正確的暗能量數值，也將是檢驗超對稱理論的一個重要標準。 純量場理論[編輯]我們也可以在理論中直接引入一種純量場（可以被稱作「第五元素」），用以驅動宇宙進行加速膨脹。與前述的宇宙常數理論不同，純量場理論允許暗能量有一定的不均勻。為了避免不均勻的程度太大，這種純量場的質量（也就是它拉氏量中的二次項係數）必須很輕，這樣才能產生一個大的康普頓波長。 但是，如果認為任何場論都必須被量子化，這種純量場理論也必須被量子化。但是純量量子場論的質量並不是穩定的，也就是說，輻射修正不能保證純量場在重整化後的質量項仍然很小，這樣，理論面臨困難。 某些純量場理論能回答，「為何宇宙加速膨脹恰好能被我們觀測到？」這個問題。如果宇宙加速膨脹得稍微早一點，那麼在銀河系形成之前，物質就已經由於宇宙的加速膨脹而互相分離，不能再凝聚成任何星系系統，也就不能產生人類了。這些純量場理論具有一種稱為「tracker」的性質，「tracker」的意思類似追蹤，追蹤的對象是宇宙中的輻射。在宇宙早期輻射為主時期，這種純量場並不表現任何效應，也就是跟著「追蹤著輻射走」，當輻射逐漸被宇宙膨脹稀釋，密度降到物質密度以下，就觸發了這種純量場開始產生效應，推動宇宙逐漸加速膨脹。 對於宇宙加速膨脹歷史的考察，可以了解暗能量的狀態方程，進而定出它壓強和密度的關係。在自然單位制下，宇宙常數理論語言壓強的數值嚴格等於密度(w=-1)。2004年，一項研究似乎觀測到了一點偏離。 一些純量場理論被稱作「phantom energy」，它們預言暗能量密度將隨時間的流逝而不斷增加，甚至能最終導致「大撕裂」。另一些理論則非常大膽地將純量場的動能項寫成負的。 參見[編輯]==================== |
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| ( 知識學習｜科學百科 ) |
時，如果宇宙已經在膨脹，負壓將使宇宙加速膨脹，而如果宇宙已經收縮，它又將使宇宙停止收縮重新膨脹。
