暗物質,宇宙學入面嘅毒撚/乾物女(What is dark matter?)

dark_matter_matters_funny_astrophysics_t_shirt-re3ac875d758c47429738d6ea31c7c9d7_jgsdi_324

自從互聯網出現咗,啲人足不出戶就可以通曉天下大事、享受各種娛樂之後,社會上就開始出現一堆隱蔽青年 (包括小弟?好似係[sosad])。呢個風氣仲愈來愈盛行,〈電車男〉、〈螢之光〉呢類講宅男/宅女/毒撚/乾物女嘅日劇、電影相繼播出。唔少專家都嘗試探討呢個現象出現背後嘅原因,坊間有好多唔同嘅觀點。

[搞爛gag中] 小弟都有自己嘅一套睇法,而原因就係因為我地嘅宇宙都充滿一樣類似、「自閉」唔鍾意social嘅物質 — 暗物質(dark matter)[1],並且佔嘅比例比普通物質(正常人)多。 [搞爛gag中]

暗物質有幾「毒」?佢地又係乜嚟?

同毒撚/宅男/乾物女一樣,宇宙中嘅「隱青」都極唔鍾意同其他「人」social,除咗某些必要無可避免嘅時候。正如其名,暗物質唔會發光,係黑暗嘅。你可能會問:「唔會發光啫,生活上好多嘢都唔會發光架啦,有咩出奇?_?」係,的確好多嘢唔會直接自己發光,但都會同光有相互作用和social,好似反射光咁。

暗物質唔同,它係極唔鍾意social到除咗重力*之外,同其他物質幾乎冇相互作用。係我地物理學上已知嘅基本粒子中,除咗微中子(neutrino)之外冇類似嘅粒子。但微中子嘅質量非常細,最多都係得1-2 electron volts/c^2,比起電子仲輕好多,冇可能解釋到宇宙演進同星系自轉曲線嘅問題(下面再詳細講)。所以一般相信暗物質係由一種或多種唔同於一般物質(包括電子、質子、中子、微中子等)的基本粒子所構成。

其中一個最受歡迎嘅侯選「佳麗」係大質量弱相互作用粒子(WIMP, weakly interacting massive particles)。呢啲尚未被發現、冇乜相互作用但質量大嘅粒子有可能性係超對稱粒子(lighest supersymmetric particle, LSP)。超對稱(supersymmetry)係一個用嚟擴充現有標準模型(Standard Model)但尚未證實嘅理論,有機會下次再詳細講 =p

img_1581

另一個唔屬於WIMP嘅可能性係軸子(axion),一種用嚟解釋強相互作用(strong interactions)中CP問題可能存在但未經證實嘅粒子。[2]

最後比較冷門嘅「佳麗」係修正牛頓重力理論 (MOND, Modified Newtonian Dynamics),即係指我地認知嘅重力理論其實唔岩,根本冇暗物質呢樣嘢。呢個理論由莫德采·米爾格若姆(Mordehai Milgrom)提出,話當一個系統嘅加速度細過 1.2×10^-10 ms^-2 時重力會變得唔同,inverse-square law唔再適用。不過呢個理論除咗星系自轉曲線外,未必如暗物質咁解釋到其他宇宙學上嘅現象,又衍生出其他問題,好似背後冇一個完整基礎理論解釋呢個「現象」點嚟。(ps: 最近好似有啲突破,不過仲喺好初步嘅階段[3])

暗物質唔鍾意social,咁我地又點知佢地存在?

上面話暗物質唔鍾意social,睇唔到,咁我地又點知佢地存在呀?答案係透過間接觀察佢地對其他物質、宇宙嘅重力影響。

m33_rotation_curve_hi

(M33 嘅星系自轉曲線圖)

其中最著名嘅就要數由「食飽飯冇嘢做」、同藝術/體育一樣「冇經濟貢獻」嘅天文學家發現嘅星系自轉曲線(galaxy rotation curves)問題[4]。呢樣亦係「證明」暗物質存在最先發現嘅證據。30年代開始天文學家相繼發現螺旋星系嘅光度同半徑關係、外圍恆星嘅速度同理論有出入。之後70-80年代隨著科技水平提升,天文望遠鏡精準度提高,岩岩冇耐之前死咗 ='(  嘅薇拉·魯賓(Vera Rubin)憑著準確量度係好多唔同螺旋星系入面恆星圍繞星系中心嘅公轉速度,得出上面嗰種星系自轉曲線圖。運用簡單嘅牛頓力學,克卜勒定律(Kepler’s laws),佢同其他科學家推斷出除咗可以觀察到嘅正常物質外,星系入面應該仲有好多觀察唔到嘅黑暗物質。(詳細公式、推論請睇[5])

bullet_cluster

(X-ray photo by Chandra X-ray Observatory)

另外兩樣就係子彈星系團(bullet cluster)[6]/弱重力透鏡(strong/weak gravitational lensing)嘅觀察現象。呢啲同樣係透過重力透鏡(gravitational lensing)效應證明喺可見物質外仲存在睇唔到嘅暗物質。

最後除左天文學上嘅證據,仲有宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)呢樣宇宙學上嘅證據。要同觀察到嘅宇宙微波背景吻合,我地嘅宇宙需要大量冷暗物質(cold dark matter, CDM)。呢個係現今嘅宇宙標準演進模型,ΛCDM 模型 (詳細可以睇番小弟嘅處子文)。

今次講住咁多先,下次再講。

*因為廣義相對論話畀我地知所有有能量(包括質量)嘅嘢都會對時空做成扭曲同受其影響,換句話即係受重力影響

引申延讀:

[1] https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B4%A8

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Axion

[3]https://tomorrowsci.com/science/%E6%B2%92%E6%9C%89%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B3%AA%EF%BC%9F%E9%87%8D%E5%8A%9B%E6%96%B0%E7%90%86%E8%AB%96%E6%88%96%E8%A8%B1%E8%83%BD%E7%84%A1%E9%9C%80%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B3%AA%E5%92%8C%E6%9A%97%E8%83%BD/

[4] https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E6%98%9F%E7%B3%BB%E8%87%AA%E8%BD%89%E5%95%8F%E9%A1%8C

[5] http://www.astro.ncu.edu.tw/~wchen/wp_chen/essay/DarkMatter.htm

[6] https://astrobites.org/2016/11/04/the-bullet-cluster-a-smoking-gun-for-dark-matter/

https://www.youtube.com/watch?v=iu7LDGhSi1A (慎入:高手級別)

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s