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暗物质

发布时间:2022年7月4日  更新时间:2023年7月1日
作者:未知  文章ID:63962  浏览:

【原文】
    暗物质
    天文学家们是从20世纪30年代开始意识到宇宙中存在着看不见的暗物质。1933年,瑞士的天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)对距离地球3.2亿光年、由超过3000个星系组成的星系团进行了长期的观测。
    他采用了两种不同的方法来测量星系团的质量。第一种方法是对大量星系的运动速度进行分析。因为速度与引力有关,所以可以间接估计出星系团的质量。用这个方法得到质量称为“力学质量”。另一种方法是通过星系团内星系的亮度来估计质量。因为恒星质量越大就越亮。这样得到的质量称为“光度质量”。按说力学质量和光度质量应该相近,然而实际得到的结果是,力学质量比光度质量高了400倍左右!也就是说,力学质量里的绝大部分是我们看不到(不发光)的物质。如果没有这部分“看不见的物质”的作用,那么这个星系团的引力就不足以将其中的星系像现在这样束缚在一起。
    20世纪80年代,科学家正式提出了“暗物质”这个名称。现在普遍认为,组成星系团的质量中,星系只占了很小的比例,而星系际介质约占20%,暗物质的比例则高达70%~80%。暗物质的所谓“看不见”,不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见,而是说不论探测什么波段的电磁波,比如红外线、紫外线、X射线、伽马射线等,都看不到它。也就是说,暗物质不发出任何波段的光。
    但是暗物质到底是什么,现在还不清楚。我们先来看看科学家已经排除了哪些暗物质的“候选者”吧。
    人们首先想到暗物质会不会是那些用光学望远镜很难发现的暗天体,例如行星、褐矮星、衰老的白矮星、中子星、黑洞等。但是所有暗天体加起来,也达不到星系总质量的10%,不足以扮演暗物质的重要角色。
    那么,扩大范围,暗物质是由原子组成的吗?研究认为,由原子构成的物质也不足暗物质的,依然无法满足暗物质所需要的量。
    在宇宙的早期可能存在小型的“原初黑洞”,它们不是从原子组成的恒星演化而来的,所以并不能将之从暗物质候选者中排除掉。但是原初黑洞是否真的存在现在还并不清楚。
    子弹星系团是由两个星系团碰撞而形成的。科学家利用引力透镜研究其质量分布的变化发现,暗物质与其他物质几乎没有相互作用,在碰撞的过程中会相互穿越而过。这个性质使人想到了中微子,它既不是原子组成的,也很难与其他物质发生相互作用,而且中微子数量庞大,每秒钟都会有上百万个中微子穿过我们的身体。那么中微子是不是暗物质呢?
    20世纪70年代,科学家提出,宇宙中如果只有“可见物质”的话,那么从宇宙诞生至今的这段时间里,就来不及形成现在所观测到的宇宙中的某些结构。1985年,英国苏塞克斯大学的卡洛斯·弗伦克(Carlos Frenk)团队提出,暗物质对于宇宙中恒星和星系等小结构的产生起到了重要的作用:首先,由于偶然性,有些地方的暗物质会聚集得多一些,所以引力更强,暗物质就更易积聚,密度渐渐变大;接下来,由原子组成的物质(气体)也被引力拉过去,很快进一步坍缩,生成恒星和星系等结构;然后,一些星系进一步汇集,形成星系团。就这样,在暗物质的作用下,从星系到星系团,一步步形成了宇宙中的大尺度结构。
    但是上述方案的成立是有条件的,就是暗物质必须是很“冷”的,这意味着它们是由低速的粒子构成的。计算显示,如果运动的速度太大,粒子弥散的范围太广,星系这样的小尺度结构就难以形成了。而中微子是以接近光速运动的“热”粒子,加上它的质量也太小,因此也被从暗物质的候选者中排除了。
    宇宙中有暗物质,但是暗物质到底是什么,现在还不清楚。
    (节选自2015年12月《科学世界》)

【问题】
    (1)下列对文中“暗物质”的理解,不恰当的一项是【    】
    A.暗物质不发出任何波段的光,所以不单单我们的肉眼在可见光波段看不见,而且探测任何波段的电磁波都看不到它。
    B.现在普遍认为,组成星系团的质量中,暗物质所占比例比星系和星系际介质所占比例高得多。
    C.20世纪80年代,有科学家提出,暗物质对于宇宙中恒星和星系等小结构的产生起到了重要的作用。
    D.从20世纪30年代开始,经过近百年的研究,宇宙中存在的暗物质逐渐被科学家们认识。
    (2)下列说法符合文意的一项是【    】
    A.力学质量里的绝大部分我们看不到(不发光)的物质,将星系团中的星系像现在这样束缚在一起。
    B.因为速度与引力有关,所以科学家对大量星系的运动速度进行分析,就可以准确得出星系团的质量。
    C.宇宙中因为有“可见物质”和“暗物质”的共同作用,从宇宙诞生至今的这段时间里,才可能形成现在所观测到的宇宙中的某些结构。
    D.暗物质必须是很“冷”的,因为它们是由低速的粒子构成的。而中微子是以接近光速运动的“热”粒子,因此也被从暗物质的候选者中排除了。
    (3)请结合文章,总结成为暗物质,都需要满足哪些条件?

【参考答案】
    (1)D
    (2)C
    (3)①组成星系团的质量中,暗物质的比例则高达70%~80%。
    ②暗物质不发出任何波段的光
    ③与其他物质几乎没有相互作用,在碰撞的过程中会相互穿越而过。
    ④是由低速的粒子构成的。

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