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近太陽系13,000光年內訪暗物質無功而返
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太空天文
近太陽系13,000光年內訪暗物質無功而返
臺北天文館 ・2012/05/08 ・1451字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 559 ・八年級
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在太陽系四周尋訪暗物質，並且規模比同類計畫更大的暗物質普查計畫，最近出師不利-空手而回。這個調查的結果發現，應該有暗物質的地方，結果暗物質數量竟然最多都沒有超過預測值的1/10。這和暗物質的傳統觀點很難取得一致。
如果這個令人驚訝的研究結果最後得到證實，它將也顛覆了一個天文學界長期以來的共識，數十年來，宇宙論一直偏重倚賴這種「會施加重力拉力，但卻不發光」的暗物質 – 這種暗藏的框架能解釋很多事情：宇宙的結構如何出現、星系如何形成、甚至為什麼銀河系這麼快速旋轉卻並未見到它四散紛飛。根據理論學者的看法，若拿掉暗物質，而單單是靠恆星和氣體這些可見物質的份量，在宇宙中有許多事情應該根本不能發生。
在這個調查中，以智利天文學者Christian Moni Bidin為首的團隊用ESO 的La Silla 2.2米及其他3座望遠鏡，在以太陽系為中心延伸的周圍區域進行了測量。雖然無法直接測量這塊區域本身的質量，但藉由這塊區域對經過恆星在速度上所產生的影響，其全部質量總數仍推估可得。
研究人員所測量的範圍是鄰近太陽4,000(角)秒差範圍內的區域(大約13,000光年) – 大約15度夾角內，銀河系扁平狀盤面略偏下方的位置，該區域中恆星數量大約400顆，然後該團對用這觀測結果來推斷銀盤另一側（上側）恆星的速度。這個普查的規模數量比先前其他類似調查大4倍。
結果他們發現：最多只能在這塊區域中找到原先模型所估計暗物質數量的～1/10。
除非暗物質是擠壓成一顆直立的橄欖球形，而不是一顆圓形的足球，否則這個研究結果不大可能和其他研究人員對暗物質所做的研究取得一致。大約自1970年以後，暗物質就被認為是一種必須存在的物質，譬如在銀河系的周邊就應該有暗物質，否則飛速旋轉的銀河系，應該會分崩離析才對。
Moni Bidin等人所組的研究團隊表示，如果暗物質的分布密度果然這麼低，那麼各種以直接偵測到「暗物質粒子」為目的而設計的實驗，「注定將要失敗」。
不過還有其他的研究團隊則持反面意見說，除非再有別的團隊在觀測上取得相同結論，否則他們將不會輕易接受這個結果，他們也沒打算這麼輕易就放棄暗物質理論。該篇論文的審查委員之一Chris Flynn表示，這種測量有相當的挑戰性，它存在好幾種盲點，而可能導致它無法偵測到暗物質。不過，即便存有疑慮，Chris Flynn仍然授予論文作者「既同意又不同意」的論文發表許可。
另一位天文學者Heidi Newberg則表示，這個研究結果強烈受到銀河系盤面四週組成物質為何的影響，就如大家所熟悉的，這個區域主要是由普通物質所組成 -這或許難怪在此區域找暗物質會毫無斬獲：差不多就像緣木求魚。
雖然這個研究結果的基礎架構很標準，但無可避免地，它仍是相當粗略的假設，在許多細節上，未必精確。舉例說：該團隊假設銀河系盤面上側和下側的星群分布對等、且光滑平均，如果事實上星群分布是呈波浪狀起伏的，就像星系外側的恆星分布那樣，那就有可能導致暗物質密度的計算結果不正確。
雖然不盡完美，就連研究團隊本身也不確定究竟暗物質存在或不存在，在同類型的暗物質普查中，這個研究仍是目前為止，最為詳盡的，其結論仍具有相當參考價值。(Lauren 譯）
圖片說明：在一個以太陽系附近太空為對象的調查中，結果發現，這裡的暗物質數量最多竟然不超過預測值1/10，這張銀河系照片顯示出在銀河系周圍有一圈藍色的「暈」，一般預期，該是神秘的暗物質應該存在的地方。標示在太陽系附近的藍色虛線球體狀顯示著新出爐的調查所涵蓋的範圍，但並非調查範圍精確的形狀。
資料來源：中研院天文網[2012.04.25]
轉載自台北天文館之網路天文館網站
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熱門標籤： 量子力學 (48) CT值 (8) 後遺症 (3) 快篩 (7) 時間 (40) 宇宙 (84)
觀測星系時，科學家發現了「看不見的物質」
我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等，所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。
宇宙是由物質構成的，但究竟是由甚麼物質構成的呢？圖 / twenty20photos
不過，後來我們了解到，宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質，那就是「暗物質（dark matter）」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質，卻實際存在於宇宙中，而且暗物質在宇宙中的含量，遠多於我們看得到的「物質」。
1934 年，瑞士的天文學家茲威基（Fritz Zwicky，1898～1974）觀測「后髮座星系團」時，發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量，與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。
周圍星系的轉速明顯過快，推測存在 400 倍以上的重力缺損（missing mass）。
在這之後，美國天文學家魯賓（Vera Rubin，1928～2016）於 1970 年代觀測仙女座星系時，發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別，並推論仙女座的真正質量，是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。
到了 1986 年，科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構，發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構，僅靠觀測到的質量是不夠的。
為了補充質量的不足，科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質＝暗物質」。
看不到卻存在？暗物質究竟是什麼？既然看不到，那我們怎麼確定暗物質真的存在？圖 / twenty20photos
前面提到我們看不見暗物質，而且不只用可見光看不到，就連用無線電波、X 射線也不行，任何電磁波都無法檢測出這種物質（它們不帶電荷，交互作用極其微弱）。
因為用肉眼、X 射線，或者其他方法都看不到它們，所以稱其為「暗」物質。
不過，從星系的運動看來，可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力（質量）」。這就是由暗物質造成的重力。
延伸閱讀：暗物質比先前認為的還要「暗」看不到的能量：暗能量
事實上，科學家們也逐漸了解到，宇宙中除了暗物質之外，還存在「看不見的能量」。
原本科學家們認為，宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對，不過，1998 年觀測 Ⅰa 型超新星（可精確估計距離）時，發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量（dark energy）」。而且，暗能量的量應該比暗物質還要更多。
我們過去所知道的「物質」，以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例，如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星（美國）於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射（CMB），計算出來的結果。
圖/台灣東販
後來，普朗克衛星＊（歐洲太空總署）於 2013 年起開始觀測宇宙，並發表了更為精準的數值。
什麼是「普朗克衛星」？
歐洲太空總署（ESA）為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射（CMB）而發射至宇宙的觀測裝置（人造衛星）。可與 NASA 發射，廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖，計算出宇宙年齡應為 137 億年左右，誤差在正負 2 億年內；普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖，並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右，誤差在正負 6000 萬年內，數字更為精準。
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暗物質的真面目，究竟是什麼？微中子嗎？
既然暗物質有質量，那會不會是由某種基本粒子構成的呢？也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞（原始黑洞），而我也致力於這些研究，不過相關說明不在此贅述。
已知的基本粒子（共 17 種）以及其他未知粒子，都有可能是暗物質，在這些粒子當中最被看好的是微中子。
因為暗物質不帶電荷，不與其他物質產生交互作用，會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且，宇宙中也確實充滿了微中子。因此，微中子很可能是暗物質的真面目。
不過，目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。
NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖／NASA
為什麼微中子被撇除了呢？
這是因為，雖然微中子大量存在於宇宙中，質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少，不過依照目前的宇宙論，3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子，那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對，兩者相差過大。
另一方面，暗物質中的冷暗物質（cold dark matter）的速度應該會非常慢才對。
宇宙暴脹時期會產生密度的擾動，進而產生暗物質的擾動（空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同），這種微妙的重力偏差，會讓周圍的暗物質聚集，提升重力，進一步吸引更多原子聚集，最後形成我們現在看到的星系。
相較於此，微中子過輕（屬於熱暗物質，hot dark matter），會以高速飛行。微中子無法固定在一處，這樣就無法聚集起周圍的原子，自然也無法形成星系。
暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼？仍然是宇宙學中最大的謎團！熱暗物質、冷暗物質
這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」，指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。
宇宙微波背景輻射（CMB）可顯示出宇宙初期的溫度起伏，因而得知存在相當微小，卻十分明顯的擾動，此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中，物質會往較濃的部分聚集，並形成星系或星系團等大規模結構。
不過，如同我們前面提到的，科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子，在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下，很難形成現今的星系團。
於是，科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。
冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子（SUSY 粒子）」當中光的超伴子——超中性子（neutralino）、名為軸子（axion）的假設粒子；另外，也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」，雖然黑洞並不是基本粒子。
在討論暗物質時，即使不假設這些未知粒子的存在，在標準模型的範圍內，微中子也是呼聲很高的候選者。
如同在討論熱暗物質時提到的，當我們認為微中子應該不是主要暗物質時，就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論，這點十分重要。
宇宙微波背景（CMB）是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射，充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販
那麼，微中子真的完全不可能是暗物質嗎？
倒也並非如此。如果存在右旋的微中子，由於我們還不曉得它的質量以及存在量，所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過，這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。
在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下，一切都還未知。關於這點，我們將在《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。
——本文摘自《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》，2022 年 6 月，台灣東販，未經同意請勿轉載。
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