血染图腾 血染图腾
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【20210402 科學科普】首次实验性地发现暗物质! 发表在最近的《物理评论通讯》上研究论文中,中国科学院紫金山天文台研究员袁强、上海交通大学副教授葛韶锋、教授刘江来、特别研究员周宁等合作的研究团队,首次实验性地捕捉到了暗物质,确定了一种由宇宙射线激发的暗物质的新型昼夜效应。 在过去几十年里,天体物理学家和宇宙学家收集了各种观察结果,暗示存在暗物质,这样的物质不吸收、反射或发射光,因此无法使用常规的观察电磁辐射技术进行探测。目前只能透过引力产生的效应得知暗物质的存在。尽管物理学家基于天文学和宇宙学的观测结果预测了它的存在,但迄今尚未明确观测到暗物质和普通物质相互作用的信号,还没有实验性地观察与捕捉到过暗物质。对暗物质(和暗能量)的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。 在这个旨在通过常规技术直接检测暗物质(即在检测器中搜索核后座力)的实验中,最敏感的质量窗口是O(10-100)GeV。当涉及到暗物质时,尤其是在亚GeV范围内的暗物质时,暗物质与原子核的散射不能产生超过现有技术所能检测到的阈值的核反冲。 该研究团队一直在尝试确定有助于克服这一挑战的策略,并揭示具有更宽灵敏度范围、更易于检测的亚GeV暗物质的特征信号。 研究人员表示,文献中指出,只要暗物质可以与原子核相互作用,空间中的宇宙射线高能核就可以将某些暗物质粒子加速为更高的能量,从而克服检测阈值,而自然地打开了低质量核窗口, 我们注意到暗物质和宇宙射线在银河系中心周围具有很高的密度,从而可更进一步地观察。 如图所示宇宙射线增强的暗物质的昼夜效应来自两个各向异性,显示朝向银河系中心的优先方向以及暗物质需要从银河系中心中穿过的暗物质在地球内部的不同长度。 在此情况下,加速的暗物质颗粒主要来自银河系中心的方向,这提供了与暗物质的普通组件不同的独特功能。虽然基于核后坐力分析的检测技术无法揭示暗物质粒子的方向,但当银河系中心位于探测器所在的地球的另一侧时,地球可能会遮挡大部分加速的暗物质。 换句话说,研究人员发现,如果暗物质核的散射截面足够大,则暗物质的通量会随着其在地球中的传播而衰减。这导致自然的昼夜调制,这种昼夜调制还可以用作加速暗物质的特征信号。 科学家说:“常规的昼夜效应仅作用于银河系中缓慢移动、非相对论性的暗物质粒子,即所谓的标准暗物质光晕。” “由于直接实验的限制或检测阈值的影响,其影响可以忽略不计。另一方面,对于轻质暗物质颗粒、暗物质-核相互作用的约束要小得多,这为强烈的昼夜调制留下了空间。” 研究表明,宇宙射线加速可以启用或促进对暗物质粒子的检测,这一独特的昼夜调制行为具有方向性和较高的能量通量的特征。 研究提出,暗物质与核子的相互作用不仅可以让人类的探测器直接探测到暗物质与核子的反冲力,而且可以使宇宙射线与非相对论暗物质散射提升到更高的能量。如果暗物质-核子散射截面足够大,暗物质通量在地球上传播时就会被衰减,导致强烈的昼夜调制。 科学家说,“我们研究中提出的昼夜调制特征可能是宇宙射线激发暗物质探测的有力证据,而放射性杂质的主要背景却没有此特征。” 核反冲能谱还将表现出每日调制,这可能是抑制潜在背景的另一种手段。” 值得注意的是,这项研究发现了与宇宙射线增强的暗物质相关的新的特征。研究小组和其他小组将可以分析过去的、正在进行的、和将来的地下暗物质实验所收集的数据,特别是寻找该研究中强调的独特的昼夜调制特征。
突发:猎户座主星参宿四迅速增亮,或已经爆炸!猎户左肩是一颗发 突发:猎户座主星参宿四迅速增亮,或已经爆炸! 猎户左肩是一颗发着橙红色光芒的恒星,非常明亮,这颗星就是猎户座的主星——著名的参宿四。此前,大约在2019年下半年,参宿四这颗平日非常明亮的恒星却明显变暗了。参宿四这次变暗的幅度却相当大,亮度下跌到了70年代来的最低点。 而今日,外媒报道参宿四停止变暗迅速增亮!当然,我们看到的景象是700年前的,参宿四有可能已经爆发了,只是光到达地球还需要时间。此前,我们知道参宿四是正处于红超巨星阶段,并且是已知最大和最亮的恒星之一。 如今参宿四已走入生命末期,推测在未来数百万年中,可能变成Ⅱ型超新星。天文学家预计参宿四最终会以II 型超新星爆发来结束它的生命,或是其质量只足够变成一颗小质量黑洞。但各方对它还有多长寿命并没有一致的意见:有些人认为它的直径不停变化代表着参宿四正在融合它的碳原子,而会在数千年之内变成超新星;不同意这观点的人则认为它可以生存更久。 如果真的发生超新星爆发,其光度将增至原来的数十万倍以上,约为弦月的光度,也有一些预测指,最大光度甚至可以达到满月的 3 倍。超新星的光将持续数月,在日间也能看见,然后将会逐渐转暗,在肉眼的夜空中消失,猎户的手臂将消失,在数个世纪之后,将会演变成星云。但是,如果这颗中子星的自转轴是朝向地球,那便较为麻烦了,它释出的高能伽玛射线及宇宙粒子将如雨般直达地球,并将削弱臭氧层,在多处天空均会出现极光。(注:已确认参宿四自转轴与地球夹角约为 20°) 参宿四的质量是太阳的12倍。因此在其生命结束时,将会爆发成为一颗超新星。一旦其内核可供核聚变的燃料耗尽,核聚变停止,辐射压消失,致命的引力将导致其外层大气迅速收缩,收缩的外层将与内核发生剧烈碰撞,随后朝着四面八方反弹出去。 2011年1月22日 ,澳大利亚南昆士兰大学高级物理学讲师布拉德 · 卡特博士预言,从现在开始,最迟几万年内,地球上的人类也将能够看到 -12 等左右的亮星,尽管这种奇异景象只会维持几周时间。卡特博士称,猎户星座的红超巨星参宿四这些年体积不断缩小,质量急剧下降,这是红超巨星重力崩溃的典型征兆,参宿四随时都可能发生超新星爆炸, 那时参宿的那绝对星等将至少达到 -17 等。 简单地讲,II 型超新星就是超巨星在内核坍缩过程中挤压造成的剧烈爆炸形成的。
参宿四的爆发真的要来了? 1月14日,天文学家探测到瞬间爆发的引力波,即时空中的扭曲。这次神秘的宇宙事件在上周可能略微拉伸和挤压了我们的星球。但是研究人员不知道这次爆炸是从哪里来的。甚至有人怀疑这可能意味着人类观测到的最大和最亮的恒星要发生超新星爆炸。 激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和处女座干涉仪接收到的引力波信号只持续了14毫秒,天文学家还无法确定爆发的原因或确定它是否只是探测器的误差。引力波可以由大质量物体的碰撞引起,例如两个黑洞或两颗中子星。天文学家在2017年和2019年4月的一次中子星碰撞中探测到了这样的引力波。 但是,洛斯卡姆雷斯天文台全球望远镜网络的工作人员、加州大学圣巴巴拉分校物理学兼职教员安迪·豪厄尔表示,如此大质量物体碰撞产生的引力波通常持续时间更长,在数据中表现为一系列波,随着两个轨道物体相互靠近,这些波的频率会发生变化。而上周新的信号不是一系列的引力波,而是一次爆发。一种更有可能的可能性是,这种短暂的引力波爆发来自更短暂的事件,如超新星爆炸,这是恒星生命的灾难性终结。 事实上,一些天文学家推测,这可能是参宿四恒星发出的信号,该恒星最近神秘地变暗了,预计将经历一次超新星爆炸。参宿四大约在425到650光年之外,据估计该恒星体积大约是太阳的300多万倍,亮度大约是太阳的14000倍(上图下方最左面的小点是太阳,上面就是参宿四)。这颗半规则的变星周期性地变暗,从每430天一次到每六年一次不等。参宿四这种暗淡是史无前例的,并引发了人们的猜测,即这个天体很可能处于生命周期的末期,准备在一场超新星的爆炸中死亡。 一旦发生这种情况,参宿四将会像满月一样明亮,并且在白天可以看到。这将是21世纪最壮观的天文现象。最壮观的是,超新星爆发形成巨大的冲击波,足以跨越4光年以上。随后逐渐冷却形成绝美的超新星遗迹。此外,宇宙中重元素的产生都是超新星爆发的结果。 但现在参宿四恒星还在那里,所以情况不是这样。麻省理工学院物理学教授萨尔沃·维塔莱认为,探测到的波来自参宿四的方向,但不一定来自恒星本身。也没有中微子从恒星中释放出来,这才是典型的超新星爆发之前的预兆。另一种可能性是两个中等质量黑洞的合并导致了这个信号的产生。合并的中子星产生的波,比这个新信号持续的时间更长(大约30秒),而合并的黑洞产生的引力波,可能更接近于短促爆发(持续大约几秒)。然而,中间的黑洞合并也可能释放一系列频率变化的波。 也有可能这个信号只是探测器数据中的噪声。但这次引力波爆发是由三个LIGO探测器发现的:一个在华盛顿州,一个在路易斯安那州,一个在意大利。三个探测器全部偶然发现这个假警报的概率是每25.84年一次。对于这场神秘的爆发,也可能有其他的解释。例如,一颗超新星可能直接塌缩成黑洞,而不产生中微子,尽管这种情况是非常有推测性的。天文学家现在正将他们的望远镜对准那个区域,试图确定波源。
Ia型标准烛光可能并不标准 Ia型超新星的形成需要一个双星系统,一个是巨星,一个是白矮星。质量极大的白矮星吸取巨星的物质(主要是氢),当达到1.44个太阳质量时,会发生失控的核聚变,爆炸后没有遗留产物。 20世纪是一个基础科学高产的世纪,每隔一段时间,就会出现一些惊天动地的发现,永远地改变我们对宇宙的看法。早在20世纪90年代末,对遥远超新星的观测清楚地表明,宇宙不仅在膨胀,而且离我们越远的天体正在加速远离我们。这是一项获得诺贝尔奖的发现,它不仅告诉了我们宇宙的命运,而且还指出了宇宙中存在着大量的暗能量。 仅就一项超新星数据就得出了如此重要的结论,那如果我们对超新星的理解有误,它作为“标准烛光”让我们得出了错误的天体距离,那么宇宙是否还在加速膨胀?暗能量是否仍然存在? 为了回答这个问题,让我们先回到100年前看看哈勃当时如何发现宇宙在膨胀,以及他又犯了什么错误! 1923年,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)开始着手研究天空中模糊的“螺旋状星云”,并观察其中的新星,以试图增加人们对这些未知天体的认知。当时一些人认为它们是银河系中的原恒星,而另一些人则认为它们是宇宙岛屿,距离我们的银河系数百万光年,由数十亿颗恒星组成。 那一年的10月6日,哈勃正在观察仙女座大星云,他看到一系列新星爆发事件,第一颗,然后是第二颗,然后是第三颗。紧接着一件前所未有的事情发生了:第四颗新星爆发的位置竟然与第一颗新星位置相同。 新星爆发确实会在同一位置重复的发生,但这通常需要几百年或几千年的时间,因为新星是一颗坍缩的白矮星缓慢地吸积周围或者伴星的燃料,等积聚到足够的质量时,在其表面点燃核聚变,一般这种吸积的过程都比较缓慢。在我们所发现的所有新星中,即使是最迅速的吸积燃料也需要很多年才能再次爆发。一颗新星只需要几个小时就可以重复的出现?这显然不可能。 当时哈勃知道有种天体可以在几小时内从亮变暗再变亮:那就是变星!(因此,他在上图中把“N”划掉(nova新星),激动地写下了“VAR!”) 美国天文学家勒维特(Henrietta Leavitt)在哈勃之前就对大麦哲伦星云中的大量变星做了研究,她发现造父变星(Cepheid variable stars)在某一特定周期会变亮或变暗,而这一周期与变星的内在亮度有关。也就时说如果我们测量变星的光度变化周期,就可以知道变星的内禀亮度,这个关系就是我们熟知的周光关系。而且我们还可以很容易地测量出变星的表光亮度,根据内禀亮度和表观亮度就可以知道这个恒星离我们有多远,因为在几百年前我们就已经知道了亮度/距离的关系!(距离的平方反比关系) 所以,哈勃就利用已知关于变星的知识以及在螺旋状星云(现在称为星系)中发现的变星来测量星系与我们的距离。然后,哈勃再将已知的红移效应与星系的距离结合起来,就得出了哈勃定律,并计算出了宇宙的膨胀率。 但不幸的是,哈勃当时得出来的关于膨胀率的数据完全是错误的!不过我们现在经常会忽略哈勃这个错误地数据,依然认为他是正确的。为什么呢? 因为哈勃当时在星系中测量的造父变星与亨丽埃塔·勒维特测量的造父变星有着本质上的不同。后来我们才知道造父变星其实分为两类,但当时哈勃并不知情。虽然哈勃定律仍然成立,但他对距离的最初估计太低了,所以他对宇宙膨胀率的估计就太高了。随着时间的推移,我们得到了正确的结论,虽然整体的结论(宇宙在膨胀、螺旋状星云是远远超出银河系的独立星系)没有改变,但膨胀的细节确实改变了!所以我们依据认为哈勃是正确的。 现在,我们回到今天。如果超新星的数据是错误的,那我们今天认为的加速膨胀的宇宙和暗能量是否正确? 近几年我们确实发现了不同类型的Ia型超新星 宇宙的量天尺,从视差法到造父变星距离是越来越远,但是更远的距离造父变星的光度也会太暗无法测量。但超新星比造父变星要亮得多,它的亮度经常会超过(短暂的超过)整个星系。在数百万光年之外,(超过100亿光年的距离)它们也可以被观测到,这让我们可以探索越来越远的宇宙。另外,一种特殊类型的超新星(Ia型超新星),产生于白矮星内部失控的聚变反应。 当Ia型超新星爆发时,整个恒星都会被摧毁。但更重要的是,我们一直认为Ia型超新星有着固定的光度曲线,由于爆发时白矮星的质量总是太阳的1.4倍,故其光度是一定的。 到20世纪90年代末,在足够大的距离上收集了足够多的Ia型超新星数据,当时两个独立的团队(高z超新星搜索团队和超新星宇宙学项目)都宣布,基于这些数据,宇宙的膨胀正在加速膨胀,并且存在某种形式的暗能量支配着宇宙。 当时许多人对此持怀疑态度,如果我们对Ia型超新星的理解有误,就像哈勃当时对变星的理解有误,那么宇宙加速膨胀、暗能量的存在、宇宙的终极命运,这些结论都会存在问题。 首先,超新星的产生有两种不同的方式:来自伴星的物质的吸积(L)和来自与另一颗白矮星的合并(R)。这两种方式会产生同一类型的Ia型超新星吗? 另一方面,这些距离很远的超新星可能发生在非常不同的环境中,也就是说与我们周围的环境不同。Ia型超新星爆发时所产生的光度曲线与我们今天看到的光度曲线相同吗? 还有一种可能是,当光从很远的地方到达我们的眼睛时,会不会发生一些意想不到的变化? 事实证明,这些问题都不是问题,已经被科学家排除在外了。但是如果我们发现这些所谓的“标准蜡烛”可能并不那么标准。就像造父变星有不同的种类一样,Ia型超新星也有不同的种类。 想象一下,现在有一盒蜡烛,我们认为它们彼此之间都是一样的,然后点燃这些蜡烛,并把它们放在不同的距离上,我们仅需要测量观测到的蜡烛亮度,就可以知道它们离我们有多远。这是天文学中“标准烛光”背后的科学理念,也是通过Ia型超新星观测星系距离的原理。 现在想象一下,如果这些蜡烛的火焰亮度并不完全一样!有两种类型的蜡烛,有些亮,有些暗。在我们附近可能有更多比较亮的蜡烛,在远处可能有更多比较暗的蜡烛。 在近几年我们确实发现了有两种不同的类型的超新星,一种在蓝色/紫外线下稍亮,另一种在红色/红外线下稍亮,它们所遵循的光曲线略有不同。这可能意味着,在测量高红移(大距离)星系时,我们发现的超新星实际上是在本质上亮度更弱,而不是因为它们离我们更远。也就是说我们可能通过这些标准烛光测得的星系距离有误! 换句话说,我们得出的结论:宇宙正在加速膨胀,可能是基于对数据的误解! 如果我们真的把这些超新星的距离搞错了,我们可能会把宇宙的膨胀率搞错,那么暗能量的含量也可能是错的!更大的问题是,可能不存在暗能量。较小的问题是,暗能量仍然存在,但暗能量可能比我们先前认为的要少。 那么,这两个问题哪一个合理?其实是小问题!因为在1998年以前,我们只有超新星的数据指向了暗能量。但随着时间的推移,我们获得了另外两项数量,它们提供了同样有力的证据,证明了暗能量的存在,以及其含量的正确性。 虽然超新星数据存在微小的差异,但还有其他证据表明暗能量的存在 宇宙微波背景(CMB)WMAP和后来的更高精度的普朗克(Planck)测量了大爆炸遗留下来的辉光,它们的波动强烈地表明,宇宙大约是5%的正常物质,27%的暗物质,约68%的暗能量。虽然微波背景本身并不能很好地告诉我们暗能量的性质是什么,但它确实告诉了我们,宇宙中大约2/3的能量以非块状和大质量的形式存在。 星系聚集的方式。在早期宇宙中,暗物质和普通物质的含量以及它们如何与辐射相互作用,决定了今天宇宙中的星系是如何聚集在一起的。如果今天我们在宇宙的任何地方看到一个星系,有一种奇怪的性质,那就是我们更有可能在离它5亿光年远的地方看到另一个星系,而不是在距离它4亿光年或6亿光年远的地方。这是由于一种被称为重子声振荡的现象(BAO),因为在气体云一开始聚集成星系时,正常物质会被辐射推出去,而暗物质则不会。 那么这个星系之间的特定距离就暗示了宇宙的膨胀率。如果当宇宙膨胀率发生变化,那5亿光年的平均尺度也会发生变化。和“标准蜡烛”相比,BAO是一个更“标准的尺子”,我们也可以用它来测量暗能量。 事实证明,来自BAO的测量结果目前和来自超新星的测量结果一样好,而且似乎给出了同样的结果:一个宇宙大约有70%的暗能量,并且与宇宙常数一致。 事实上,如果我们把这三个数据集结合起来,我们会发现它们都指向大致相同的图景。 我们从中了解到,暗能量的实际数量和我们从超新星中推断出的暗能量类型可能会以一种微妙的方式发生微小的变化,而这实际上可能有利于使这三种方法(超新星、宇宙微波背景辐射和BAO)更好地协调一致。因此一个错误的假设不会导致所有的结果和结论都是错误的,而是帮助我们更准确地理解一个自我们首次发现以来就困惑我们的现象。 因此暗能量是真实存在的,虽然我们发现了Ia型超新星存在不同的类型,其作为标准烛光可能会影响我们对星系距离的判断,但这种微小的变化并不意味着以前的科学结论是错误的。
找不到暗物质的解决方法:面多加水水多加面? 根据目前正统的观点,暗物质主导了星系、星系团和宇宙更大尺度结构的形成。也正是暗物质的引力维系住了这些系统,使之免于瓦解。在迄今观测到的无数星系中,以恒星绕星系中心转动的速度之快,单靠该星系中的发光物质根本不足以束缚这些恒星。这暗示存在大量不可见的物质维系着星系。此外,通过把暗物质与普通物质的比例按照5∶1设定,对宇宙的计算机模拟能再现出大部分我们今天能见到的宇宙结构。 然而,这里也存在一个重大的弊端。到目前为止,还没有人探测到一个暗物质粒子,也没有人能肯定暗物质到底由什么构成。美国凯斯西储大学的天文学家斯泰西·麦高问道:“为什么所有的暗物质搜寻都空手而归?”他的回答与常规的观点相悖:“也许暗物质根本就不存在。” 在过去的20年里,麦高一直无奈地扮演着怀疑者的角色。和他的大多数同行一样,他曾是一个暗物质的拥护者。但从20世纪90年代中期开始,他发现根据暗物质做出的预言与他在星系中观测到的现象并不相符,由此逐渐对其失去了信心。 相反,麦高正在思考另一个想法,被称为修改牛顿动力学(MOND)。虽然许多天文学家认为它亵渎“神”明,但MOND能和暗物质模型一样成功地描述星系中恒星和气体的运动。不需要假想中的新型物质,这个理论仅仅增强了牛顿引力定律中引力的强度。如果引力以不同于我们此前所想的方式运转,那么MOND的倡导者认为,在不需要引入暗物质的前提下,也能够解释星系的动力学以及宇宙中其他令人费解的现象。 改变规则 30多年前,以色列魏茨曼科学研究所的理论物理学家莫尔德艾·米尔格龙提出了MOND理论,用来替代暗物质。当时,米尔格龙正在研究其他星系中恒星的速度。通常情况下,你会预期靠近星系中心的天体运动得较快,而距离星系中心随着到星系中心距离的增加,恒星的速度保持恒定不变。 如果这一匀速转动是由暗物质造成的,那就需要对这些不可见物质的分布进行出奇精准的调整。米尔格龙认为,这是一个“极端精调”的问题,就像把100块积木随手扔到地板上,结果它们恰好堆成了一座城堡。他认为,MOND为此提供了一个更合理的解释,你不再需要不可见的质量。通过修改我们对引力的认识就能得到同样的效果。 类似于爱因斯坦的引力理论——广义相对论,米尔格龙的智慧结晶MOND也建立在牛顿引力的基础之上。在引力不太强的地方,广义相对论的预言和牛顿引力如出一辙,区别只在极端环境下——例如黑洞边缘——才会出现。MOND的情况也类似,它会在引力极其微弱的地方有别于牛顿引力。 例如,牛顿定律在地球表面附近以及描述太阳系行星上非常成功,这些地方的引力相对较强。然而,对于描述星系中恒星的运动,牛顿引力就有些力不从心了。由于恒星的间隔很大,那里的引力要弱得多。米尔格龙注意到,在与之类似的弥散系统中,当引力加速度小于一个特定的阈值——10-10米/秒2——时,牛顿定律会开始失效,做出不可信的预言。 米尔格龙得出了一个简单的公式,即MOND公式,来描述在引力和加速度的共同作用下一个天体的运动速度是多少。简单地说,当加速度大于10-10米/秒2时,你会得到牛顿的万有引力定律;当加速度小于这个阈值时,你就会得到MOND。该公式还提供了介于这两种物理机制之间的平滑过渡区域。 谨慎接受 1983年,当米尔格龙发表有关MOND的论文时,迎接他的是冷漠。这一反应在很大程度上一直延续至今。“一开始,几乎每个人都忽视了MOND,”米尔格龙回忆说,“这虽然不公平,但也是人之常情。‘异端’的学说总要度过一个困难时期。” 这也正是麦高当时所做的。他第一次听说MOND是在1995年,当时他是英国剑桥大学的博士后研究员,米尔格龙正好去那里演讲。麦高差一点就没去听,因为他不想在推翻万有引力定律的“疯狂”演讲上浪费时间。 但他还是去了,当米尔格龙谈及低表面亮度星系时,引起了他的兴趣。相比类似银河系这样的正常旋涡星系,低表面亮度星系包含的恒星要少得多。这些星系是旋涡星系的缩小稀释版,恒星非常稀疏,因此引力很微弱,是检验MOND的理想场所。米尔格龙使用MOND预言了这些星系中恒星的转动速度。 当时,麦高正在研究低表面亮度星系,他认为自己手上已有的数据能“一劳永逸地否定这个愚蠢的想法”。他把米尔格龙的预言与他的数据进行了比较,结果和他料想的恰好相反。这一发现震惊了麦高。 作为暗物质的忠实信徒,他几乎无法入睡,因为他试图弄清楚MOND的古怪预言究竟是如何被证实的,而这本该是佐证暗物质的证据。他花了差不多近一个星期来思考,最终平复下来并接受了这一事实:MOND在这一案例上的成功也许并非侥幸。 此后,麦高致力在各种天文和宇宙学条件下检验MOND,试图搞清楚米尔格龙的这个想法到底能在多严格的程度上成立。“我的角色一直是客观的观察者。”麦高说。基于迄今收集到的证据,在星系动力学方面,MOND可以做出众多正确预言。但有一个原因使得它仍然无法成为主流理论。 在描述更大尺度的宇宙方面,例如星系团,特别是由几十个明亮星系和数百个暗弱星系组成的富星系团,MOND的表现并没有得到认可。麦高承认,MOND对富星系团的预言差了2倍,这意味着你需要2倍的质量来解释观测到的星系运动。 为了弥补这一缺陷,一个想法是这些星系团中可能拥有意料之外的大量中微子——另一种难以捉摸的不可见粒子。但不同于暗物质粒子,中微子是普通物质,已知它们会大量存在。如果宇宙能把足够多的普通物质隐藏于中微子中,就可以在不需要暗物质的情况下解决这个问题。 MOND的另一个缺点是,它没有提供令人信服的理论基础来解释为什么会出现MOND的有关效应。虽然有一些理论可以解释MOND背后的工作机制,但没有人知道(如果有的话)这些理论中哪个是正确的。米尔格龙更乐意把这些不足视为契机,希望由此发展出一个更为一般的理论,可以包含广义相对论和MOND的重要特性,进而消除暗物质。早在2004年,以色列希伯来大学的雅各布·贝肯斯坦提出了一个相对论性的MOND理论,5年之后米尔格龙也提出了自己的相应版本。贝肯斯坦的理论很有效,但就像MOND一样,也无法解释真正大尺度结构的行为。也许有聪明人可以成功地实现这一点,但目前还做不到。 “这是一个真正困难的问题,”麦高承认,“我至少可以想象出一个更一般的理论,它包括广义相对论和MOND,其中MOND适用于一种特殊的情况,而广义相对论则适用于其他的情况。”他本人也着手进行了尝试,但一直没有成功。有一些人认为,这并不是一个值得去攻关的问题。不幸的是,只要涉及修改引力,宇宙学家的态度大都如此。 非主流 对逆潮流的MOND理论的研究使麦高在职业生涯中遇到很多困难以及批评。“被轻视是家常便饭,”他打趣道,“新一代的学生从小就相信暗物质,他们都认为我一定是想入非非了。” 尽管如此,并非只有麦高和米尔格龙在认真而严肃地对待MOND。其他受人尊重的物理学家也加入了这一行列,总数已经超过了100人。 让麦高感到振奋的是,和其他来来往往的新引力理论不同,MOND的持久力非常好。尽管在过去30年里付出了不懈的努力,但仍没有人能明确地否定它。但麦高也承认,到最后“审判”的时候,即便是再流行的理论也无济于事。毕竟,科学不是为了达成共识而进行的谈判,它是由观测数据来决定的法则。 这也正是麦高一直所专注的——数据。尽管这已经把他送入了一段格外曲折的旅程,但他只跟随数据前行。他的大多数研究都涉及星系,这正好也是他的专长。他把自己对低表面亮度星系的研究拓宽到了所有类型的各种星系,例如密度更高、表面亮度更高、包含恒星也更多的旋涡星系和不规则星系,后者不具有螺旋或者椭圆的形状。他的发现是,MOND在每种星系中都运转良好。 适用于矮星系 最近,麦高与米尔格龙和其他合作者一起专注于仙女星系周围的矮星系。仙女星系是距离银河系最近的大型星系。在仙女星系的外围,天文学家已经发现几十个小型且近似球形的星系,其中的恒星会在随机的方向上做运动。这些矮星系的低恒星密度及相应的低引力使得它们成为探测MOND效应的绝佳地点。 使用位于美国夏威夷的加拿大-法国-夏威夷望远镜,泛仙女星系考古巡天项目正在以前所未有的精细程度来研究仙女星系。就在这一巡天项目发现并分析了10个新的矮星系之后不久,麦高和米尔格龙在2013年的一篇论文中根据MOND对其中恒星的运动速度做出了预言。此后,天文学家对恒星的速度进行了测量,结果显示在这10个星系中有9个的结果与预言一致,另1个星系则因为恒星数目太少而无法进行速度测量。他们在2014年对另外两个邻近矮星系的预言也得到了验证。 “当你做出预言,然后被验证,说明事情在变好,”麦高说,“正如对仙女星系周围矮星系测量显示出来的。随着数据的改善,MOND与测量的吻合度似乎也变得越来越好。” 他承认,MOND仍面临诸多挑战,这其中包括富星系团问题以及将MOND纳入更普适引力理论的问题。另一方面,在解释星系中恒星的运动上面,暗物质模型也好不到哪儿去,在某些情况下可相差100倍。麦高同意贝肯斯坦的观点,后者认为暗物质模型和MOND具有的问题在同一量级上。 至于最终究竟会怎样,麦高并不确定,但他比以往任何时候都更加确信MOND值得进一步研究。“这个理论具有预言观测的能力,”他说,“所以它肯定会告诉我们些什么东西。”如果他是正确的,那么其他天文学家可能会发现MOND确实值得他们驻足一观。
科学松鼠会:减速木星 提问: 我知道新视野号探测器借用了木星的引力加速作用使其能更快地飞抵冥王星,我也知道木星的速度会因此减慢一点点,那么问题来了:需要多少次这样的飞越才能使木星完全停下来呢? ——Dillon 回答: 远远超过我们能够承受的范围。 太空飞船有时会近距离飞越质量大,运动速度又快的行星,这样就能在不消耗燃料的情况下提升自身的速度。[1]根据角动量守恒定理,这样的飞越同时会略微减慢行星的速度,但似乎从来没有人为此担心过。 行星不会因为一次飞越就减慢很多的速度,因为行星的质量比太空飞船的质量大太多了。新视野号飞越木星后速度增加了约4千米/秒,与此同时木星的速度则降低了10^(-21)米/秒。[2] 10^(-21)米/秒看上去就像是挠痒痒,但它实实在在地改变木星的运行轨道,缩短它公转一周所需的时间,并使它更靠近太阳一些。多亏了这次飞越,当太阳变成超新星时,木星会比原本提前几纳秒感受到太阳的威力! 只会产生几纳秒的影响?太不给力了!我们需要执行更多次的飞越!那么我们承担得起多少次呢? 新视野号任务在整个预估的生命周期中会耗费美国政府约7亿美元的资金,而与此同时,美国政府在其他事务上花费了大约47.879840万亿美元。如果我们裁掉其他一切事物的资金,[3]把它们转移到新视野号任务上来,那么我们能够发射6.8万个同样的探测器。 不过这会带来一些问题。首先,新视野号上的电池里含有许多钚元素。这堆钚(约10千克)是由核反应堆中的铀加工而成。发射6.8万个新视野号探测器所需的钚会消耗掉全世界大半的铀储备。 但还有更糟的事情呢。[4]NASA估计发射一艘携带着钚的飞船发生事故的概率约为1/300,而一旦发生事故所携带的放射性钚元素就会泄露到大气层中去。如果真要发射6.8万次,那么就可能会发生200多次核事故,这可不是什么好事。 但要是这么做真能把木星停下来那也值了!可遗憾的是,6.8万个新视野号探测器远远不够。虽然它们能够偷走木星微不足道的一点速度,但在整个太阳系毁灭之前,其对木星产生的影响加在一起也只有2微秒。 如果我们能够降低太空飞船的造价,或许我们可以发射更多的探测器,但迟早我们会用尽建造材料。首先燃料肯定会被全部用完,那么我们假定我们建造出了某种太空电梯,能够使得太空发射变得更加便宜。但之后全世界的铀(用于制造钚)也会迅速耗尽,于是我们就需要用一大块铅块来代替铀,反正探测器本身并不需要做功。 到最后连铅储备也耗尽了。于是丧心病狂的地球人开始用石头或者垃圾什么的代替铅块,可用不了多久这些东西也用完了。到了某个时间点,为了能够减慢一点点木星的前进速度,绝望的地球人会落到手捧着石头和尘土,把它们扔进一个印有大大的NASA字样的麻袋的可悲地步。 到后来连石头也没有了。不管你信不信,反正我是信了。 地球的地壳里一共就这么点东西。[5]即使我们把地表的几千米深的地壳都挖出来扔向木星,虽然我并不建议这么做,也只能降低土星不到1英里/时的速度。 我们早就该想到这个方法行不通,因为地球的质量比木星小太多了。[6]即使我们把整个地球扔过去,也只能降低木星几百分之一的速度,大约是若干英里/时这么多。这就有点像之前那个关于网球的讨论:如果你想靠乒乓球来停下一辆卡车,那么网球的动量必须要大于卡车的动量,这意味着网球要么很重,要么很快,或者两者兼备。 所以这才是这个问题的核心所在:想靠引力加速作用来把某颗行星的速度降为零,就像朝一辆急速驶来的卡车扔网球,并寄希望于卡车能够停下来一样……
2022小行星威胁 美国宇航局(NASA)科学家表示,一颗类似埃及吉萨大金字塔的小行星正在冲向我们地球,它名叫“JF1”。该小行星的直径在420英尺(约合128米)左右,而美国宇航局(NASA)也发布了具体可能撞击地球的时间,可以说听到这个消息,真的是能让人“捏一把汗”。科学报告指出,该小行星可能在2022年5月6日与地球相撞(碰撞),并且其撞击地球的威力相当于230吨TNT。而该小行星撞击地球的几率为3800分之一,所以地球可能不安全了,是否真的要来就得看后面了。 从这个撞击得概率来说,确实非常高了,以前我们都听到很多几千万分之一的撞击率,而这次是3800分之一,所以值得警惕,而美国宇航局(NASA)也还是在密切的跟进和观察之中,需要时刻做好相应的准备。根据科学家表示,如果“JF1”小行星撞击地球的,并且坠落在了人口稠密的地区,将立即摧毁整个城市,有可能造成数百万人死亡,主要是能量太大了,有几个城市能够经受得起? 所以说,从这里也可以看出来,虽然小行星直径只有约128米大小,但是足以给地球带来重大灾难,研究人员表示,JF1撞击地球的“可能性很小,但也不容忽视”。同时美国国家航空航天局(NASA)还表示,这颗小行星与地球东部相撞的可能性很低。所以说这是人类最不希望看到的消息,如今只能期待小行星能够顺利避开地球,不然真的是灾难性的。而除此之外,在11月21日的时候,也将有一颗命名为“481394(2006年SF6)的小行星将靠近地球。 按照俄罗斯科学报告指出,预计将会在11月21日午夜与地球擦肩而过,NASA也称之为“近距离靠近”。所以说,我们可能看到越来越多的小行星在逐步靠近地球了,并且有很有可能撞击,只不过从现有的预报情况来看,“JF1”小行星是最为紧迫的,毕竟撞击地球的概率非常的高。这个时候可能大家会想到一个人说的话,那就是美国宇航局(NASA)局长曾经公开说过,在我们有生之年,可能会出现小行星撞击地球的可能性,如今看来确实需要担心一下。
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