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| 2019/05/25 07:56:36瀏覽344｜回應0｜推薦2 | |
暗物質和宇宙結構
真空的球形王宇航
標準宇宙模型是近40年來物理學界最重大的成就之一，此模型可以解釋宇宙的物質組成和幾何結構。除了星係等物質之外，一些微小的擾動表面還有暗物質的存在，這些暗物質並不與正常的物質發生作用。在標準模型中，宇宙中有5/6的物質由暗物質構成，且標準模型假設暗物質是一種非重子的弱相互作用粒子，在宇宙演化的早期產生。
1933年Zwicky發表了一些不清晰的證據表明在卡瑪星雲中存在有暗物質，後來相繼又有人提出了一些關於暗物質的想法。但是這些想法知道1970年左右都沒有引起人們的重視，真正對暗物質的研究可以認為是從1970年開始。當今的宇宙學被分為三個不同的方向：粒子物理、天體物理、計算。從粒子物理中被引申出兩個基本的新想法：1.Guth和Linde的宇宙演化理論認為宇宙起源可能與量子漲落以及各種擾動有關 2.暗物質可能是由非重子粒子構成。後續的一些證據將有可能成為暗物質的物質按照最初時期的速度大小分為熱、溫、冷三類，例如，輕子中微子是熱暗物質（HDM）的雛形；超對稱粒子和軸子被認為有可能是冷暗物質（CDM）；非標準引力子被認為可能是溫暗物質（WDM）。
暗物質和宇宙結構的形成息息相關，但目前的研究對暗物質究竟為何物並沒有一個定論，正如前文所說的，有許多微觀粒子都被視為暗物質的“候選者”。不同暗物質在宇宙結構方面有著迥然不同的預言，所以人們可以通過天文觀測來限制暗物質粒子的屬性。
宇宙結構形成的基本原理：宇宙暴漲階段的量子漲落導致宇宙物質密度場出現微小的漲落。這些漲落的幅度會在引力作用下不斷增長，而最小尺度的漲落會首先發展到非線性階段而坍縮為最小的引力自束縛系統——暗暈。小暗暈會通過合併以及吸積變為越來越大的暗暈，在此過程中氣體和暗物質粒子一同坍縮並建立壓強引力平衡。隨著溫度的下降，該平衡被打破，因此將在暗暈中心形成產生一個高密度區域——由於引力的不穩定性，這個高密度氣體盤最終會撕裂從而形成星系。
宇宙的結構並不是在所有尺度都存在的，由於暗物質粒子內禀運動帶來的自由穿越（free-streaming）會消除Rs尺度以下的漲落，這就意味著在Rs尺度以下將不會存在結構（Rs為一個粒子的典型運動距離）。 Rs反比於暗物質粒子的質量，由於Rs和暗物質粒子屬性有關，因此不同的暗物質粒子會導致不同結構的形成。例如熱暗物質的能量大概是30eV 的量級，所導致的暗暈尺度大概是一個大型星系雲那麼大；溫暗物質的能量量級約為2keV，所產生的結構大概是一個小型星系的暗暈；冷暗物質的質量量級為100GeV，所產生的暗暈結構尺度和地球相當。熱暗物質理論由於與實驗觀測完全不符，因此已經被摒棄——現在冷暗物質模型和溫暗物質模型是兩個比較有競爭力的理論。
冷暗物質、溫暗物質兩種模型的比較：
在目前較為流行的冷暗物質模型中，首先會形成尺度和地球相當的暗暈，並且通過並和吸積過程形成越來越大的暗暈——因此在冷暗物質模型中，宇宙中充滿了從地球到星系團跨過21個數量級大小的暗暈。
由於暗物質比平常的重子物質多得多，因此宇宙中較大尺度的結構都是在暗物質引力的作用下形成的。在藉助超級計算機進行的數值模擬中，我們可以得到預言冷、溫暗物質中物質分佈的情況。值得一提的是，在宇宙大尺度結構上，冷、溫暗物質的分佈非常相似：都存在暗暈、纖維結構、空洞等，其差別在於溫暗物質宇宙的空洞更空、纖維結構更為光滑。
二者預言的子結構完全不同，溫暗物質模型所預言的銀河系只存在有限的、大的子結構；冷暗物質模型則認為銀河系存在無數個子結構。由於冷暗物質模型關於子結構的預言，為原本比較完善的“標準冷暗物質模型”帶來了兩朵烏雲。
正如前文所說“標準冷暗物質模型”在解釋宇宙大尺度結構方面是比較成功的，但是將其應用於我們銀河系中卻出現了問題，根據“標準冷暗物質模型”的預言銀河系應該存在無數個子結構，即衛星星系。銀河系大致的結構為：太陽系位於銀河系星系盤邊緣，距中心約8kpc，在銀河系中心到外圍約200kpc的區域存在暗物質，這些物質在引力作用下形成了銀河系的自引力系統——銀河系暗暈。在銀河系中科學家發現了一部分子系統：大小麥哲倫星係等。但和預言相比，這些子系統的數目太少了，到現在只找到了十來個。造成這種差異的原因到底是因為冷暗物質模型不正確？還是我們的探測手段不夠？這在學術界有很大的爭議。於是和對很多其他理論的修補一樣，科學家們提出了一些解釋希望冷暗物質模型可以“自圓其說”：比如宇宙再電離作用會使小質量暗暈周圍的氣體逃逸從而無法形成星系，以及人類所處銀河系的位置導致很大一部分的衛星星系沒有被觀測到。 。 。 。 。 。這種所謂的“銀河系衛星星系丟失”現象並沒有最終得到確認，如果此現像一旦被確認存在，那溫暗物質模型可以很自然地解釋這一現象，因為暗物質越溫子結構就越少。
另一朵烏雲則是銀河系衛星星系中心密度輪廓問題。科學觀測以及動力學模型的模擬可以對衛星星系中心區域一定範圍內的質量進行估計，但結果和冷暗物質模型的預言有著非常大的差異。這個問題被稱為“矮星系中心暗物質太少問題（too big to fail）”，這個問題想要在冷暗物質模型的框架內自圓其說則需要靠超新星爆發來解釋：衛星星系內部的大質量恆星在死亡時形成超新星爆發噴流，從而帶走了許多物質。然而，目前發現的衛星星係都非常暗淡（恆星數目少），是否能產生足夠多的超新星爆發還存有疑問。在這多烏雲之下，溫暗物質模型也無能為力——根據溫暗物質模型，矮星系中心會形成一個核球結構，這樣的核球結構的尺度需要銀河系大小的星係來形成，其內的矮星系根本無法形成！
總結：暗物質的概念首先在上世紀30年代被提出，後來逐漸發現暗物質在宇宙大爆炸早期形成的暗暈對宇宙各種尺度結構的形成有非常大的影響。基於暗物質內禀速度將暗物質分為熱、溫、冷三類，其中熱暗物質模型與實際結果顯著不符合已經被摒棄，現在比較流行的是標準冷暗物質模型但是也有兩大疑難問題尚未解決。直至目前暗物質的本質是什麼仍然需要很多實驗、觀測去論證。
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