暗物质和暗能量是宇宙学中两个至关重要的未解之谜,他们对宇宙的结构和演化有着至关重要的作用。
20世纪初天文学家通过观测发现,宇宙中的物质分布和牛顿的万有引力理论预测的结果有很大的差异,科学家提出了“暗物质”的概念,认为宇宙中存在一种看不见的物质,并且它的质量远大于能看见的物质的总和。
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所以就用暗物质来解释银河系等宇宙结构的形成和稳定性。
后来科学家又发现了“暗能量”的存在,被用来解释宇宙膨胀加速的神秘力量。
虽然暗物质和暗能量的存在已经得到了人们的广泛认可,但它们在本质上还是一个未解之谜。
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暗物质是一种不与光子相互作用的物质,无法吸收、反射和发射光线,它还不能发射电磁波,更不能散发热量,所以不能被直接观测到,但它对可见物质的引力效应却是真真实实存在的。
暗物质是指理论上提出的可能存在于宇宙的一种不可见物质,它可能是宇宙物质的组成部分,但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质。
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虽然暗物质不可见,但天文学家却可以通过天体的运动、牛顿万有引力、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能存在于星系、星团,甚至是宇宙之间。
据了解,科学家估计暗物质占总宇宙总质量的大概85%,因为没有确定的答案,所以关于暗物质的产生,不同理论模型具有不同的猜测和假设。
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暗能量是一种未知的能量形式,被认为是导致整个宇宙加速膨胀的原因,它在宇宙中起到斥力的作用,和暗物质一样,它也不会反射、吸收和辐射光,因此也是无法被直接观测的。
暗能量可以和光发生中和反应,两者反应过后会对作用于的时间产生影响,出现时间膨胀。
它是在20世纪末期通过观测遥远超新星爆炸的光度曲线而发现的,在宇宙学上起了非常重要的作用,推动了宇宙的加速膨胀。
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关于暗能量的本质,现有的理论认为它可能是真空能量密度的一种表现形式,或者就是与时空密度恒定相关的能量场。
2022年美国的天体物理学家分析确认,宇宙中大约有三分之二(约70%)的暗能量和三分之一的物质组成,这种物质主要通过暗物质的形是存在,在过去的数十亿年中加速膨胀。
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直接探测:通过特殊的探测仪器寻找暗物质粒子和普通物质粒子之间的相互作用,从而获得暗物质粒子的信息,比如闪烁体探测器和半导体探测器利用暗物质粒子在物质中的碰撞作用,产生光子闪烁效应,或者是粒子化效应探测暗物质粒子。
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这种方法一般使用在地底深处,比如低温探测器和惰性液体探测器等技术,目的是为了排除宇宙射线的背景噪音,这种直接探测在国际上已经有多个实验在尝试。
间接探测:通过观测暗物质粒子在宇宙空间中的产生和衰变等过程来探测暗物质,在这些过程中会释放一些暗物质不可见的粒子,科学家们通过观测这些粒子来推荐暗物质的存在。
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引力透镜探测:这是通过观测物体背后的光线受到引力透镜效应的偏折来间接探测暗物质,科学家们可以通过对星系光线的透镜效应进行观测和测量,从而推测出暗物质的存在。
宇宙微波背景辐射:它是宇宙大爆炸后残留下来的辐射,通过对它的精细观测,可以获取关于早期宇宙的物质分布信息,从而推断出暗物质的分布情况。
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超新星爆炸观测法:通过观测和测量超新星爆炸事件的亮度和距离,间接推测出暗能量的存在和分布,它已经成为探测暗能量的主要手段之一。
宇宙微波背景辐射法:通过观测宇宙微波背景辐射的强度和分布间接测量暗能量。
大尺度结构观测法:通过观测和测量宇宙中大尺度结构的分布和演化来间接测量暗能量。
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弱引力透镜效应法:利用弱引力透镜效应可以测量大尺度上物质的重力场如何使光线弯曲,通过测量从不同距离上的星系形状变化来推断宇宙的膨胀历史,以及加速膨胀的原因。即暗能量的性质是何种形式的。
暗能量和暗物质的探测一直是宇宙学研究的热点和难点,科学家们正在不断探索和尝试新方法、新手段去深入理解它们的性质和作用。
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PandaX-4T实验:这个实验是在中国锦屏地下实验室进行的,使用了低能数据和Migdal效应对暗物质、核子相互作用设定了严格的限制,它的核心是一个最先进的双相氙气时间投影室。
LUX-ZEPLIN实验:这是截止到目前为止,世界上最大、最灵敏的暗物质探测器,已经成功运行并验证有效,这个实验的目的是为了找到暗物质存在的直接证据,是暗物质最有希望的候选者。
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抗磁悬浮力学系统实验:中国科学技术大学的一个团队与南京大学组成的团队在暗能量探测领去的重大进展,他们利用抗磁悬浮力学系统在实验室对变色龙理论进行了实验检验。
并未发现变色龙理论预言的“第五种力”,从而排出了它作为暗能量的可能。
DES测量:有100多名有贡献的科学家参与这个测量,给我们提供了一个迄今为止最难以捉摸的参数“W”的最佳测量之一,这个结果让我们有机会检测是否符合爱因斯坦的宇宙常数概念,而这个概念正好可以解释暗能量。
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这就是通过一种间接方式去解释暗能量的存在。
这些实验结果都是基于当前的科学研究和理论,暗物质和暗能量仍旧是宇宙学中的未解之谜,随着科学的发展,相信我们将会对暗物质和暗能量有更加深入的了解。
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