跳到主要内容

科学家缩小了暗物质的“重量”

旋涡星系NGC 5585坐落在Ursa Major星座的大熊尾巴上,是揭示存在一种称为暗物质的无形物质的众多星系之一。
旋涡星系NGC 5585坐落在Ursa Major星座的大熊尾巴上,是揭示存在一种称为暗物质的无形物质的众多星系之一。
图片:©ESA / Hubble&NASA R. Tully;致谢:Gagandeep Anand)

科学家们终于弄清楚了多少 暗物质 -几乎无法察觉的材料据说可以拖拉所有物体,却不发光-确实很重。

新的估算值有助于确定其粒子的重量-暗示神秘物质的实际含义。

这项研究将暗物质颗粒的潜在质量从估计的10 ^-24电子伏特(eV)到10 ^ 19千兆电子伏特(GeV)急剧缩小到10 ^-3 eV到10 ^ 7eV之间(可能的范围)。质量比以前小数万亿亿倍。

萨塞克斯大学物理学和天文学教授Xavier Calmet说,这些发现可以帮助暗物质猎人将精力集中在所指示的粒子质量范围上,或揭示宇宙中以前未知的作用力。英国。

有关: 关于暗物质的11个最大的未解决问题

Calmet与同样来自萨塞克斯大学的博士生Folkert Kuipers一起,描述了他们在一项新研究中所做的努力,该研究将于3月发行, 物理字母B.

什么是暗物质?

据某些估计,暗物质约占宇宙所有物质的83%。它’人们认为它只能通过重力与光和普通物质相互作用,这意味着只能通过弯曲光线的方式看到它。

天文学家在注视着1930年代的银河星团时发现了暗物质的第一个暗示,而在1970年代后天文学家意识到星系的旋转速度比原本应有的速度快时,银河系与大量的暗物质光晕交织在一起的理论就成为主流。 ,因为它们包含多少可见物质。 

有关: 宇宙中最奇怪的12个物体

暗物质粒子的可能候选者包括幽灵般的微小粒子,称为 中微子 ,理论上称为冷轴的深色冷粒子,并提出了弱相互作用的大块粒子或WIMP。卡尔梅特说,根据特定暗物质模型的细节,新的质量边界可以帮助消除其中一些候选物质。

量子引力

科学家确实知道,暗物质似乎仅通过重力与光和正常物质相互作用,而不是通过其他任何相互作用 基本力量;因此研究人员使用引力理论得出了暗物质粒子质量的估计范围。

重要的是,他们使用了来自量子引力理论的概念,这导致范围比以前的估计要窄得多,之前的估计仅使用了爱因斯坦的广义理论。 相对论 .

“我们的想法很简单,” Calmet在一封电子邮件中告诉Live Science。 “令人惊讶的是人们以前从未想到过这一点。”

爱因斯坦的广义相对论是基于古典物理学的。它可以完美地预测重力在大多数情况下是如何工作的,但是在量子力学效应显着的极端情况下(例如在 黑洞的中心.

另一方面,量子引力理论试图通过量子力学来解释引力,量子力学已经可以描述另外三个已知的基本力- 电磁力 强大的力量 将最重要的东西放在一起 弱力 导致放射性衰变。然而,没有一个量子引力理论有强有力的证据支持它们。

Calmet和Kuipers使用来自广义相对论的值估计了暗物质粒子的质量的下界,并根据量子引力理论预测的暗物质粒子的寿命来估计了上界。卡尔梅特说,广义相对论的值的性质也定义了上限的性质,因此它们能够得出与任何特定的量子引力模型无关的预测。

研究发现,虽然量子引力效应通常是 他说,当一个假设的暗物质粒子花了很长的时间才能腐烂,并且当宇宙大约和现在一样古老时(大约138亿年),它们就变得微不足道了。

物理学家先前估计暗物质粒子必须比“普朗克质量”更轻–大约1.2 x 10 ^ 19 GeV,至少比已知的最大粒子重1000倍- 他说,它的重量大于10减去24 eV,以适合已知包含暗物质的最小星系的观测。

他说,但是到目前为止,尽管在了解量子引力方面取得了巨大进展,但很少有研究尝试缩小范围。 “人们以前根本没有看过量子引力对暗物质的影响。”

未知力

卡尔梅特说,暗物质粒子质量的新界限也可以用来检验 重力 单独与暗物质相互作用,这被广泛认为,或者暗物质受未知的自然力影响。

他说:“如果我们发现质量超出我们讨论范围的暗物质粒子,我们不仅会发现暗物质,而且还会有非常有力的证据……除了重力以外,还有一些新的力作用于暗物质。”

最初发表在《世界科学》上。