暗黑宇宙之美:暗物质是什么?

  • 黄荐
  • 日期:2021-08-26
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        第十四期《李政道讲座》有幸遥请到清华大学毛淑德教授,本场讲座由清华大学教授、“李政道讲座”秘书处秘书长崔伟主持。崔教授首先对毛教授的科研经历进行简要介绍。毛教授1988年毕业于中国科技大学物理系,获理学学士学位。同年通过CUSPEA项目前往普林斯顿大学继续深造,并于1992年获博士学位,后在哈佛-史密松森天体物理中心、马普天体物理所做博士后。2000年就职于英国曼彻斯特大学,2006年任教授,2010年全职回国。现为清华大学天文系主任,主要研究方向是星系动力学、系外行星搜寻、引力透镜以及暗物质研究。

        毛教授首先回顾了自己的求学历程,并感谢CUSPEA项目给自己带来的机会,讲述了自己从中科大到普林斯顿大学,再到德国做博士后的求学过程。正式开讲之前,毛教授为大家展示了对选课同学的科学素养问卷调查结果,几个简单的小问题涵盖了大家的专业、物理定律、天文知识及科学常识。毛教授欣慰同学们对物理及天文的热爱,也呼吁国内应该加强科普教育,同学们的科学素养有待进一步提升。接着,毛教授回顾了李政道先生选择自己研究方向的过程,从粒子物理理论到天体物理,再到流体力学,最后又回到基本粒子物理,正是这么一种转变与选择,成就了李先生的诺贝尔物理学奖。李政道先生曾讲述:“据我看,21世纪的物理学还将有重大的发展:激光真空、制造像宇宙开始的状态、了解暗物质……”。因此暗物质值得大家更多的关注、研究及探讨。

        讲座的第一部分,毛教授主要讲解了暗物质存在的证据。目前研究表明,宇宙中我们能够观测的普通物质只占4.9%,而暗物质占比达到26.8%,而暗能量占到惊人的68.3%。接着毛教授介绍了暗物质存在的证据,主要从旋转曲线、引力透镜、宇宙大尺度结构和微波背景辐射四个方面论证。首先是银河系的旋转曲线,根据牛顿定律,如果没有暗物质,恒星绕着银河系中心的旋转速度会随着到中心的距离快速变小,但实测的旋转曲线随着半径基本上没有变化,这表明星系中有暗物质的存在。

        接下来讲到引力透镜效应,爱因斯坦用广义相对论解释时空弯曲,由于时空在大质量天体附近会发生畸变,使得光线经过大质量天体附近时发生弯曲。如果在观测者到光源的直线上有一个大质量的天体,则观测者会看到由于光线弯曲而形成的一个或多个像,这种现象被称之为引力透镜现象。爱因斯坦在发表广义相对论时已经推算出引力透镜的公式,不过他对此并不上心,因为光线经过恒星时偏折的角度非常小,被当时望远镜捕捉到的概率只有百万分之一。几乎在同一时间,天文学家弗里茨·兹威基提出如果考虑星系而非恒星,会更有可能观测到这一效应。近年来,天文学家已经陆续观测到了很多星系强引力透镜系统。通过这些对这些系统的分析,我们发现要产生观测到的光线弯曲效应,所需要的总物质质量大于观测到的发光物质的质量,这也说明了暗物质的存在。毛教授也指出对于引力透镜的内部构成还需要进一步的探索。

        然后讲到宇宙大尺度结构,讲述了宇宙结构是如何形成的,并生动地用乒乓球举例,讲述了恒星的运动。之后老师用一个视频讲述了宇宙中暗物质的分布,并对暗物质在5~6亿年、13亿年时的情况进行了讲述,通过视频中的图像,可以看出有的地方密度很高,有的地方密度低,随着时间的推移,暗物质会在引力的作用下越来越不均匀,在暗物质主导的密集区域,可以形成相关的恒星和星系。

毛淑德与学生互动交流

        最后老师介绍了第四个证据,即微波背景辐射,老师指出这一证据是暗物质存在的最有说服力并是最可靠的证据。在讲解微波背景辐射之前,毛教授给大家普及了大量的天文知识。老师从苏轼的《水调歌头》讲起,从诗中的天文物理问题引出天文学家如何测距这一问题。毛教授指出,最可靠的解决方法就是三角测距法,但是该方法的问题在于角度太小,所以能测的距离范围有限。所以天体物理学家又提出标准烛光测距法,天文学家一直在找这个标准烛光,直到找到了造父变星——会呼吸的恒星。之后提出了列维特定律——造父变星的周光关系。哈勃在1924年证认出“仙女座大星云”(M31)中的造父变星,并由周光关系得到他的距离,确定了河外星系的存在。第一次证明了银河系之外还有星系,随后通过星系的红移发现了宇宙膨胀。在介绍了多普勒效应和哈勃定律,讲述了时间奇点,即通过宇宙大爆炸时间点等基本概念后,老师提出了问题:如果光学望远镜足够大,我们能看见宇宙大爆炸奇点吗?在同学们讨论之后,老师揭晓答案,光学望远镜无法观测到宇宙大爆炸点。接着毛老师讲述了发现宇宙微波背景辐射的历程,1964年,贝尔实验室中的彭齐亚和威尔逊探测到3.5K的宇宙背景噪声,他们并因此获得诺贝尔奖。在20世纪60年代,科学家不仅测量了宇宙微波背景,还测量了其中存在的微小温度波动,这种波动出现时的强度、相关性和尺度,可以提供关于宇宙的大量信息,其中重要的一点是能够计算出宇宙中暗物质的占比。

        讲座第二部分侧重于暗物质的影响,例如“暗物质对地球运动的有什么影响”。曾有科学家提出暗物质是恐龙灭绝的原因,其根据是银河系的中间盘里面,有一个质量很大的、而且是很薄的暗物质这样的盘,那个地方的引力变化非常大,所以太阳系每经过一次很薄的,质量很大的暗物质盘的时候,引力场会产生很大的涨落,这样的话就有可能会引起彗星轨道的改变而撞击地球,而恐龙灭绝正是由于彗星撞击地球所导致的。尽管这个理论的提出有一定的科学根据,但毛教授认为,这个理论很可能是错的。他解释说,这个理论成立的基础是太阳受到暗物质的引力涨落变化非常大,所以暗物质的盘要很薄、质量很高。这与他的研究生测出来的暗物质质量相差很大,要求比大多数的天文学家公认的暗物质密度高很多倍,所以理论很可能不正确。

        暗物质的密度很低,方糖密度的一亿亿亿分之一,十的负二十四方。一块方糖内的暗物质仅相当于1个氢原子的质量。计算地球绕太阳运行的轨道之内的暗物质总质量,仅为太阳质量的一百亿分之一,这对地球运行的影响非常小,现有的测量手段是无法观测的。暗物质对人都什么影响呢?每天穿过人身体的暗物质数量远远低于其他宇宙射线,因而对人的健康也没有影响。目前对暗物质的直接观测很困难,毛教授从反面入手,告诉我们暗物质不是什么。暗物质没有电磁相互作用、没有强相互作用并且长期稳定,暗物质也不能是中微子。现在有很多暗物质候选体:WIMPS, 暗光子、轴子(axions)等。我们可以利用大加速器、深地实验室的液氙实验(如PANDA)、空间望远镜(如悟空)来探测暗物质粒子,但目前这些努力都没有成功。

        在讲座的最后,毛教授介绍了自己的中国梦和正在研制的天文望远镜。最后毛教授一一解答了讲座同学的提问,并通过抽奖的形式给国科大学子赠送书籍,每本书上亲笔题写的寄语寄托着毛教授对国科大学子的勉励与期望。

抽奖赠书环节