暗物質

神秘X光洩漏暗物質天機

神秘X光洩漏暗物質天機
臺北市立天文科學教育館

22天文學家利用多架高能觀測衛星觀察研究星系團,從中發現了似乎可證明宇宙暗物質(dark matter)性質的證據。

暗物質不可見,沒有發出人類現在可偵測的輻射,也不會吸收光,只能透過和宇宙中一般物質構成的星系或恆星之間的重力交互作用,才能察覺出暗物質的存在。但這些都是間接的證據,天文學家相信暗物質是宇宙物質最主要的部分,只是還不瞭解它的性質而已。

星系團(galaxy cluster)許多數百個星系組成,且星系之間的空間還充斥著大量熾熱氣體,一起構成宇宙間最大的重力束縛的物質結構。然而,當測量這些星系團的重力影響時,星系和氣體僅佔了總質量的五分之一,而剩下的五分之四,就是那些看不見的神秘暗物質。

星系團內的熾熱氣體以氫為主,溫度超過攝氏1000萬度,熱得足以發射出X射線輻射。其他微量元素則會貢獻特定波長的額外X射線。

哈佛史密松恩天文物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)Esra Bulbul等天文學家分析歐洲太空總署(ESA)的XMM-Newton和美國航太總署(NASA)的錢卓(Chandra)等X射線觀測衛星的73個星系團觀測資料;這些星系團的距離差異頗大,從數億光年到數十億光年不等,其中一個是英仙座星系團(Perseus cluster),如右上圖,這個質量非常大的重力結構,算是我們本銀河系的鄰居。Bulbul等人研究這些星系團的特徵譜線,結果被其中一條昏暗不明、以前從未見過的譜線給難倒了。

Bulbul表示:如果這個奇怪的特徵譜線是氣體中已知元素造成的,那麼按理來說會有其他X射線已知波長的譜線伴隨出現,但事實上卻沒有出現任何這樣的譜線。因此,必須在所有已知的普通物質之外尋找答案。

大爆炸紀念日:六個宇宙大爆炸的迷思

西元1964年,兩位來自美國新澤西州貝爾實驗室的工程師,試圖架設一個更好的天線,結果卻意外揭開了宇宙的起源。阿諾‧彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯‧威爾森(Robert Wilson)所接收到的無線電嘶嘶聲,為第一次證實宇宙微波背景輻射(CMB)的信號。這個遺留輻射(relic glow)源於大爆炸,並散布在整個宇宙。 這個發現證實了大爆炸理論,也是現今對宇宙起源的最佳解釋。彭齊亞斯和威爾森也因這項發現而獲得了諾貝爾獎。在五十年後的今天,宇宙微波背景輻射已經幫助我們了解宇宙的年齡、形狀和組成,以及相關的發展細節。但幾乎與每一個新發現一樣,隨宇宙微波背景輻射而來的是更加令人傷腦筋的新問題。

希格斯粒子系列》魏特曼:我希望希格斯粒子不存在

魏特曼:我希望希格斯粒子不存在
知識通訊評論第121

科學家在2012年7月宣稱,他們可能找到了被外界俗稱為上帝粒子的希格斯粒子,且聽聽因與此發現密切相關理論得到諾貝爾獎的一位物理學家的看法。

今年的林島會議適逢本世代粒子物理的最大發現。安阿伯密西根大學榮譽退休教授暨理論粒子物理學家魏特曼(Martinus Veltman),因粒子物理方面工作,共享了一九九九年的諾貝爾物理獎,而希格斯玻色子的存在正是「標準模型」所預測的。然而在過去三十年,魏特曼本人卻一直懷疑希格斯粒子的是否存在。

魏特曼

簡單來說,希格斯玻色子是什麼?
這無法以古典物理解釋。弱作用力(可對比於電磁交互作用)量子場論的數學困境,在於屬於媒介粒子的W及Z玻色子不具質量。解決之道是假設在整個宇宙間存在有一個力場。媒介粒子可藉由與「希格斯場」的交互作用得到能量,也就是質量。在量子場論,有場就會有伴生粒子,例如電磁場的伴生粒子是光子。相較零質量且自旋為1的光子,希格斯玻色子質量大且無自旋。

發現新粒子帶給您什麼感想?
一開始我對之十分冷淡,現在有時間好好思考,發現其意義重大。早在五十年前,科學家就已經預測有希格斯粒子,現在我們成功找到它,這的確是理論的驚人成果。希格斯粒子應該存在其實是由於非常抽象的理論原因,好幾年來,我一直研究希格斯粒子不存在會帶來的後果。這項新發現代表我暫時會放棄上述努力,至少暫時如此。

為什麼您過去會懷疑希格斯粒子不存在?
首先,希格斯粒子應該存在於各個地方,將質量傳遞給其他粒子,但竟然過去三十年到四十年都逃過儀器的偵測。再來,因為希格斯粒子的能量散布在整個宇宙,應該會導致空間扭曲,如果你去計算一下,這樣宇宙應該會扭曲成只剩足球大小。這是粒子物理面對的最大難題。

您現在想法改變了嗎?
這並不是信仰或心情的問題。只是客觀情況讓我想要知道證據在哪裡。科學家從一九七〇年代初就開始尋找希格斯粒子,每年都會有鬧笑話的,預測說希格斯粒子其實就在角落。因此我才下結論,希格斯粒子不存在的機率比較高。
幸好,在歐洲粒子物理研究中心發佈結果之前,就有人打電話通知我,不然我真的會在林島大會說出「希格斯粒子不存在!」這一類蠢話。

科學十年回望(1)

科學十年回望(1)
知識通訊評論第100期

在二十一世紀第一個十年行將結束之際,《科學》雜誌回顧了過去十年裏的一些偉大的想法以及使這些想法變為現實的技術。

照亮基因組的“暗物質”

10-111

這個“暗基因組”的範圍在二○○一年首次發表人類基因組時變得明瞭。科學家原來期待在人類DNA的三十億個堿基裡找到十萬個基因,結果他們吃驚地發現只有三五○○○個(當前的數目是二一○○○個)。

從去氧核糖核酸到蛋白質的過程曾經看起來是那麼簡單。DNA告訴身體如何製造蛋白質,DNA的化學表親核糖核酸(RNA)鏈充當分子信使,把指令帶到細胞的蛋白質工廠並將其轉譯為行動。

基因序列承載著DNA的指令,基因之間是不連貫的、無用的、惰性的大段“破爛兒DNA”。

暗物質(Dark Matter)

暗物質(Dark Matter)
國立彰化高級中學物理科李明中老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

在宇宙學中,暗物質是指那些不發射任何光及電磁輻射的物質。人們目前只能通過引力產生的效應得知宇宙中有大量暗物質的存在。

暗物質存在的最早證據來源於對球狀星系旋轉速度的觀測。現代天文學透過星系轉動曲線、引力透鏡、宇宙中大尺度結構形成、微波背景輻射等研究證據,顯示宇宙中 $$85-90\%$$ 的質量不帶有電磁交互作用。這些暗物質只透過引力作用而顯現它們的存在。