| 天人地 | 2024-02-14 13:51 |
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这段时间，网络上有很多消息在说，我们的地球冲进了银河系的一个黑暗团流区，遭受暗物质飓风，他们说得神乎其神，这个所谓的黑暗团流区是什么？对人类有什么影响？为何我们没有感觉到呢？你又是否听过《银河吃香肠事件》？  银河系吃掉了根香肠 其实要了解这个话题，咱们先得回顾下《银河吃香肠事件》。咱们的银河系包含了大约1000亿颗恒星，形成了一个扁平的旋转盘。它在过去的几十亿年里经历了多次与其他星系的合并和碰撞，从而形成了现在它的结构和组成。  其中最重要的一次碰撞，就是与被称为“香肠星系”的矮星系的相撞。香肠星系是一个比银河系小得多的星系，它的质量大约是太阳的100亿倍，相当于银河系的1%。它的名字来源于它的恒星轨道的形状，它们几乎都是沿着银河系半径的方向，形成了一个狭长的香肠状。  香肠星系是从一个非常刁钻的角度撞进银河系的，它的轨道非常偏心，而且很快就被银河系的引力撕裂了，然后就被消化成了银河系的养分。  这次碰撞发生在大约80至100亿年前，当时的银河系还是一个年轻的星系，它的银盘还没有完全形成。香肠星系的撞击造成了极大的骚乱，它的恒星、气体和暗物质都被甩到了银河系的内部，与银河系的原有成分混合。  这次碰撞永久性地重塑了银河系的银盘的结构，使其变得更厚更扭曲，甚至出现了“骨折”。同时，香肠星系的残骸也形成了银河系中心的球状隆起和周围的恒星晕，这些都是银河系的重要特征。  香肠星系的残骸并没有完全消失，它们仍然在银河系内部留下了一些痕迹。科学家们通过观测银河系的恒星的位置、速度和化学成分，发现了一些与香肠星系有关的证据。  英国剑桥大学的科学家们发现了至少8个球状星团，它们是由香肠星系带进银河系的，因为小星系通常没有自己的球状星团。这些球状星团的名字都以“盖亚（Gaia Sausage）”开头，用来纪念欧洲空间局的盖亚卫星。  之前提到的黑暗团流区，被科学家们称为S1流。 S1流的发现是通过欧洲空间局的盖亚卫星的数据进行的，盖亚卫星可以测量数十亿颗恒星的位置和运动。通过分析Gaia卫星的第二批数据，科学家们发现了一些异常的恒星，它们的速度与周围的恒星不一致，而且它们的化学成分也有所不同。  这些恒星被认为是S1流的一部分，它们的数量大约有3万颗，占银河系恒星总数的0.1%。 这些团流区是由一些相互靠近的恒星组成的，它们的运动方向和速度都很相似，但是与银河系的其他恒星不同。科学家们认为，这些团流区是被银河系吞噬的香肠星系的残骸。  那所谓的暗物质飓风又和这些黑暗流团有什么关系呢？ 什么是暗物质？ 要了解这个问题，我们得先来简单认识下暗物质，在我们生活的世界里，目之所及的一切，包括各种星体，都是由普通的物质构成的。简单的说，比如原子、分子、电子等。它们都与光反应，所以我们看到的世界是有形的。  但暗物质是一种不与电磁力产生作用的物质，也就是不会吸收、反射或发出光。人类目前只能透过重力产生的效应得知暗物质的存在，而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。  暗物质的名称是相对于可见物质而言的，这种不可见物质，并不一定是黑暗的，只是我们人类的眼睛和仪器无法直接看到它，现在关于它的图片全部都是构想图。  暗物质的本质是什么，它是由什么样的粒子构成的，它是如何形成和分布的，这些都是物理学和天文学中的重大未解问题。 既然暗物质看不见，那么最开始人类是怎么发现暗物质的呢？这得从上世纪二十年代开始说起。这一时期星系天文学刚刚兴起，人们开始认识到我们所在的银河系并不是宇宙的全部，在银河系之外还有众多其他的星系。  正如恒星会在引力的作用下聚集形成星系，星系之间也会在由于引力而结团形成更大的星系团结构。引力也就决定了它们的运动速度，根据引力科学家就使用三种主要的方法来测量星系的质量：时间参数法，丰度匹配法，和动力学法。  时间参数法测量两个星系相互靠近的速度，并用这些动力学信息来预测质量。丰度匹配法利用星系的光度和恒星形成率与质量的关系来估算质量。动力学法利用星系内部或外部的物质（如恒星、气体、卫星星系、引力透镜等）的运动来计算质量。  如果星系团中的大多数物质是发光的，那么这两种质量应当不相上下。在三十年代，天文学家Zwicky和Smith却发现了一件不可思议的事：某些星系团的光度质量实际上远小于其动力学质量。 也就是说，宇宙中发光物质或者说可见物质的总量可能要远少于不发光的物质。这些不发光的物质不参与电磁相互作用，没有任何电磁信号，人们只能通过其庞大的引力效应去感受它们，这就是暗物质最初的观测证据。 暗物质飓风向地球冲击？ 所谓的暗物质飓风，顾名思义就是大量的暗物质汇聚高速流动的不可见，不可触洪流。很多文章都在说，我们冲进了银河系的黑暗流团，还引用了萨拉戈萨大学的Ciaran O'Hare及其同事的一篇科学文章。  但经过笔者的查证他们的说法是对文章的误读，这篇文章并没有声称我们的地球已经冲进了银河系的黑暗流团，并且正在经历暗物质飓风。 文章只是说如果计算出的轨迹模型没有问题的话，这股所谓的暗物质飓风有可能经过我们的太阳系附近。作者估计，S1中的暗物质的密度约为10^-6 kg/m^3，远低于我们太阳系中普通物质的密度。  作者也没有说地球会以每秒500公里的速度与暗物质相撞。他们只是说暗物质会与我们太阳系中的一些原子相互作用，产生微小的闪光，这些闪光可以被未来的实验检测到。而且这些信号非常微弱，需要非常灵敏的WIMPs探测器来观察。  WIMPs是Weakly Interacting Massive Particles的缩写，它们是一类质量较大但与普通物质相互作用极为微弱的粒子。暗物质，通过引力的力量影响着宇宙的演变，但因为它不发出光线，所以我们无法直接观测到它。  WIMPs被认为是暗物质的有力候选者，因此科学家们设计了WIMPs探测器，希望通过WIMPs与普通物质的微弱相互作用来揭示暗物质的面纱。但是这类探测器的原理并不复杂。它们把特定的物质，如氙、氩、锗等，作为目标。  当WIMPs穿过这些物质并与其发生微弱碰撞时，会传递一些微小的能量给物质的原子核或电子，导致反冲或电离。这些微小的变化会产生可测量的信号，如光子、电子、热量等。通过精密的测量和分析这些信号，科学家们可以判断是否存在WIMPs，以及它们的性质、质量和运动状态等信息。 虽然原理简单，但是WIMPs探测并非易事。由于WIMPs与普通物质的相互作用概率极低，探测器需要使用大量的物质，并且需要长时间的观测。同时，各种可能的干扰背景噪音，如宇宙射线、放射性物质和热噪音，也需要被排除。  为了降低这些干扰，WIMPs探测器一般被安置在地下深处，使用纯净的材料，维持低温低压的环境，并采用多种技术来区分信号和噪音。   目前，全球范围内有许多WIMPs探测器正在运行或建设中，如XENON、LUX、我国的Panda X等。它们采用不同的探测物质、技术和位置，希望能够找到或限制WIMPs的存在，为解开暗物质之谜贡献一份力量。 拿我国的Panda X举例，在多数人的印象中四川大凉山是个较为封闭的地方，但我国的WIMPs探测器Panda X就在凉山锦屏地下实验室的深处，是世界上最大埋深、宇宙线本底最低的地下实验室。  Panda X探测器已经完成了三代实验，分别是Panda X-I（120公斤）、Panda X-II（580公斤）和Panda X-4T（3.7吨）。Panda X-II实验在2016年和2017年间取得了国际领先的对暗物质性质的限制，成果入选了科技导报十大科学进展和美国物理学会的亮点。  而Panda X-4T实验则于2020年11月开始运行，在2021年7月发布了首个暗物质搜寻结果，覆盖了之前未被探测过的暗物质与普通物质相互作用的参数空间，成为迄今为止对暗物质搜寻最成功的实验。 未来，Panda X实验还计划建设下一代多十吨级的实验，Panda X-xT。这一计划旨在成为最终的暗物质直接探测实验，并测试中微子是否是马约拉纳粒子的领先项目。通过不懈的努力，PandaX探测器正在为我们解开宇宙中最深层次的谜团提供关键线索。 |
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