漫谈暗物质 来源.docVIP

漫谈暗物质 来源： 霍然的日志 最近随着四川锦屏山地下暗物质实验室揭牌并投入使用，暗物质这个名词走进了公众的视野。什么是暗物质？作为一个学暗物质的研究生，在这里试着介绍一下。水平不够的话请多包涵。可能大家首先都不明白的是怎么着就突然冒出来了个看不见的东西，究竟是怎么个看不见法。这里让我们先做最初步的假设，我们承认存在了不少现在看不见的东西并把它叫做暗物质，比宇宙中能看见的还多了几倍，那么它会不会是下面这些东西呢？ 行星相对于恒星来说，行星质量太小。太阳系最大的木星的质量，仅仅是太阳的不到千分之一。要是由不发光的行星构成宇宙中缺少的质量，而行星平均质量算太阳的千分之一的话，那就要有大概比恒星多一万倍的行星，太阳周围就期望会有一万个木星。而且行星并不是数量上比恒星要多得多，这拿太阳系的大行星做例子就能看得出来。如果一颗行星是像我们地球一样的“类地行星”，那质量就更小了。因为它主要由重元素构成，重元素在宇宙中终究是稀少的。所以寻找宇宙中不发光的物质，行星是可以忽略的。 褐矮星褐矮星其实是和行星中的“类木行星”接近的，仅仅是质量大得多。它也是主要由氢元素构成的，如果质量再大一些的话，就可以像太阳一样发生热核反应而发光了；但是因为它的质量不够大，所以收缩时中心温度没有那么高，最后核反应就没有点燃。所以它是不发光的。天体物理上的能不能发光的分界线大概在8%的太阳质量上，褐矮星是没到8%的太阳质量的天体。褐矮星是否能构成暗物质的主要成份，也是取决于它的数量，因为它单个的质量也不大。从目前的褐矮星表/zh-cn/%E6%A3%95%E7%9F%AE%E6%98%9F%E5%88%97%E8%A1%A8来看，在太阳附近，褐矮星的数密度并没有远远超出发光的恒星。所以应该也是不够的。 白矮星、中子星这个可能性算是比较难以排除的。白矮星是中小质量恒星演化晚期，核燃料耗尽之后，仅仅由电子气体的简并压维持的星体；中子星则是提供简并压的由电子换成了中子。简并压，其实大家恐怕都学过类似的概念，就是高中化学的核外电子排布的泡利不相容原理，完全相同的一个轨道上电子不能排两个。白矮星，中子星都是特大号的原子核就对了。白矮星、中子星作为晚期的恒星，并非完全不发光，因为它一开始是热的，而且是相当热的。但是目前理论上来说，如果没有互相碰撞或者吸积其他物质的话，这两种天体都是一直稳定的。它们像灰烬一样通过发光来降温，早晚会有降温到事实上看不见的那一天。如果宇宙中充斥着这样的天体，那是不是可能呢？这涉及到一个冷却时间的问题。wiki上面对这个问题的回答直接就是，因为宇宙年龄有限约137亿年（其实计算宇宙的年龄也依赖于目前关于暗物质的学术界标准的假设，但是这种循环论证其实害处并不大），所以最老的白矮星现在也还没冷却到温度低得完全看不见的程度。让我们仔细分析下，假设这颗星是在宇宙很早期产生的，要处于白矮星的时间长，就要在这之前的普通恒星状态时间尽量的短。但是白矮星有理论的质量上限——钱德拉塞卡极限，这对应于其前身的普通恒星有寿命的下限，不能短于几十亿年，因为恒星质量越大，其寿命越短。总起来说，没有足够的时间给白矮星冷却到看不见。 黑洞这大概是公众最感兴趣的天体了。现在黑洞已经不再是纯天体的概念，因为媒体经常说，大型强子对撞机（Large Hadron Collider简称LHC）就有可能撞出黑洞来。但是天体物理上的黑洞，其实反而是相当容易识别的，在这个意义上，它一点也不是黑得让我们不知道它的存在。识别的手段就是看黑洞吸积。黑洞的视界内的光是没法发出来的，但是外面的带电粒子掉到黑洞里面去的时候，那个加速下落的过程在黑洞视界外，是可以发光让我们看到的。准确的说是发出X射线。如果是孤立的黑洞，离周围的天体都很远，那么要吸也没的可吸。上面提到白矮星中子星也有吸积的问题，不过它们能吸积的范围就小了。但是因为黑洞的引力很强，所以能吸的范围很大，很大范围内的星系中的气体都会被吸引过来的。一般认为，不会有那么多黑洞存在吸积的死角中，因此我们探测不到的。所以黑洞的数量也不是多到了足以解释暗物质的地步。 以上的论证都是很粗糙的。上面说的行星、褐矮星、白矮星、中子星、黑洞作为暗物质的候选，学术界统称为“晕族大质量致密天体”（MAssive Compact Halo Objects简称MACHO），见/zh-cn/%E6%9A%88%E6%97%8F%E5%A4%A7%E8%B3%AA%E9%87%8F%E7%B7%BB%E5%AF%86%E5%A4%A9%E9%AB%94 其实存在更直接的观测来检验MACHO是否是暗物质的主要成分，这就是微引力透镜效应。 在介绍微引力透镜效应之前，一个我们首先值得搞懂的问题，就在于它的名字，为什么要叫晕族？我们知道，星系周围的在恒星的主要分布