關(guān)于空間天文學(xué)有一個(gè)特別的說法。叫做兩暗一黑三起源。其中，“兩暗”是指暗物質(zhì)和暗能量，它們占據(jù)了宇宙物質(zhì)的95%以上，但是很難被直接觀測(cè)到，只能通過間接的實(shí)驗(yàn)方法來探測(cè)。“一黑”是指黑洞，它是一種極端的天體，具有強(qiáng)大的引力場(chǎng)，可以吞噬光和物質(zhì)?！叭鹪础笔侵赣钪嫫鹪?、天體起源和宇宙生命起源，這些問題關(guān)乎到人類對(duì)自身和世界的認(rèn)識(shí)和探索。本期內(nèi)容我們來說一說一黑。暗能量和暗物質(zhì)是兩種不同的物質(zhì)形式，它們對(duì)宇宙的膨脹有著相反的作用。暗物質(zhì)是一種不可見的質(zhì)量，它通過引力將星系和星系團(tuán)等結(jié)構(gòu)保持在一起，從而減緩宇宙的膨脹。暗能量是一種能量，它表現(xiàn)為一種排斥力，使得空間本身不斷擴(kuò)張，從而加速宇宙的膨脹。暗能量的作用大于暗物質(zhì)，占宇宙總質(zhì)能的68%，暗物質(zhì)占27%，剩下的5%則是我們?nèi)粘＝佑|的普通物質(zhì)。它們都對(duì)宇宙的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)有著重要的影響。它們都是目前科學(xué)無法直接觀測(cè)和解釋的物質(zhì)形式，由于它們都不參與電磁作用，所以我們無法用我們的五感來感知它們。但是我們可以通過一些間接的方法來探測(cè)它們的存在和影響。
暗物質(zhì)是什么？這是一個(gè)困擾著人類數(shù)十年的難題。暗物質(zhì)是一種看不見的物質(zhì)，不是因?yàn)闆]有光照亮它們，而是因?yàn)楣飧緹o法照亮它們。那么我們?cè)趺粗浪嬖谀?？答案就是通過引力。暗物質(zhì)雖然看不見摸不著，但好在參與引力。最早發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)跡象存在的人是荷蘭天文學(xué)家奧爾特。1932年，他通過研究發(fā)現(xiàn)銀河系中靠近太陽的恒星，它們的速度分布符合開普勒定律，即距離銀河系中心越遠(yuǎn)的恒星，旋轉(zhuǎn)速度越慢。然后，他觀測(cè)了銀河系邊緣的恒星，發(fā)現(xiàn)它們的速度分布與開普勒定律不符，即距離銀河系中心越遠(yuǎn)的恒星，旋轉(zhuǎn)速度并不變慢，而是保持一個(gè)大致相同的值。這意味著銀河系邊緣的恒星受到了更強(qiáng)的引力作用，而這個(gè)引力作用不能完全由可見物質(zhì)提供。因此，奧爾特推斷銀河系里面存在著一種看不見的物質(zhì)，它提供了額外的引力作用，使得銀河系邊緣的恒星能夠保持高速旋轉(zhuǎn)。這種看不見的物質(zhì)就是我們現(xiàn)在稱為暗物質(zhì)的東西。
目前，關(guān)于暗物質(zhì)存在的證據(jù)主要通過以下幾種方法。首先是引力透鏡效應(yīng)：這是最有力的證明暗物質(zhì)存在的方法。引力透鏡效應(yīng)是指一個(gè)大質(zhì)量天體在我們和一個(gè)更遠(yuǎn)天體之間時(shí)，會(huì)彎曲空間和光線，使得我們看到更遠(yuǎn)天體的形狀和位置發(fā)生變化。根據(jù)引力透鏡效應(yīng)，我們可以推算出前方天體的質(zhì)量分布。然而，觀測(cè)結(jié)果顯示，前方天體的實(shí)際質(zhì)量要遠(yuǎn)大于其可見光度所反映的質(zhì)量。這說明前方天體內(nèi)部有一種不發(fā)光也不反射光的物質(zhì)，對(duì)光線產(chǎn)生了強(qiáng)烈的彎曲作用。這種物質(zhì)就是暗物質(zhì)。其次是宇宙微波背景輻射各向異性譜：這是最直接反映宇宙早期結(jié)構(gòu)和演化的方法。
宇宙微波輻射是指宇宙大爆炸后留下來的最古老的電磁輻射，它幾乎充滿了整個(gè)宇宙空間，并且具有很高的均勻性。然而，如果仔細(xì)觀察宇宙微波在不同方向上的溫度分布，會(huì)發(fā)現(xiàn)有一些微小的波動(dòng)，這就是宇宙微波的各向異性。宇宙微波的各向異性反映了宇宙早期的密度擾動(dòng)，也就是說，宇宙中有一些區(qū)域比其他區(qū)域更密集或更稀疏。這些密度擾動(dòng)是宇宙結(jié)構(gòu)形成的種子，也是物質(zhì)和輻射之間相互作用的結(jié)果。根據(jù)物理理論，我們可以計(jì)算出宇宙微波的各向異性譜，也就是不同波長(zhǎng)或角度上的溫度波動(dòng)幅度。然而，觀測(cè)結(jié)果顯示，宇宙微波的各向異性譜與理論預(yù)測(cè)有很大差異。這說明宇宙中有一種不與輻射相互作用，但能影響引力勢(shì)能的物質(zhì)，對(duì)宇宙微波的各向異性產(chǎn)生了重要影響。這種物質(zhì)就是暗物質(zhì)。
最后是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)：這是最直觀展示暗物質(zhì)存在的方法。宇宙大尺度結(jié)構(gòu)是指由星系、星系團(tuán)、超星系團(tuán)等天體組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，也被稱為“宇宙網(wǎng)”。根據(jù)引力不穩(wěn)定理論，我們可以推斷出這種結(jié)構(gòu)是如何從初始密度擾動(dòng)演化而來的。然而，觀測(cè)結(jié)果顯示，如果只考慮普通物質(zhì)（如原子、分子等）對(duì)引力不穩(wěn)定的貢獻(xiàn)，那么無法解釋現(xiàn)在觀測(cè)到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成速度和豐富程度。這說明還有一種不可見但占主導(dǎo)地位的物質(zhì)，在加速了引力不穩(wěn)定過程，并促進(jìn)了天體聚集和分離。這種物質(zhì)就是暗物質(zhì)。
暗物質(zhì)的分布基本上是團(tuán)狀的，分布極不均勻，這一點(diǎn)就和暗能量完全不同。暗能量在宇宙中的分布是十分均勻的，而且暗能量并不參與萬有引力，反而表現(xiàn)成萬有斥力。關(guān)于暗能量的起源，有一個(gè)流行的假說是它和愛因斯坦提出的宇宙學(xué)常數(shù)有關(guān)。愛因斯坦最初在他的廣義相對(duì)論中引入了這個(gè)常數(shù)，為了讓他的方程有一個(gè)靜態(tài)宇宙的解，因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為宇宙是靜止不變的。但是后來哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹的證據(jù)，愛因斯坦就放棄了這個(gè)常數(shù)。然而，在1998年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些遙遠(yuǎn)的超新星爆發(fā)，通過分析它們的光譜線，發(fā)現(xiàn)它們比預(yù)期要昏暗，這意味著它們離我們更遠(yuǎn)，也就是說宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹。這個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)讓人們重新考慮了愛因斯坦放棄的那個(gè)常數(shù)，也就是暗能量。如果把暗能量理解為一種均勻分布在空間中，并且具有負(fù)壓力的能量密度，那么就可以用廣義相對(duì)論中的方程來描述它對(duì)時(shí)空結(jié)構(gòu)的影響。簡(jiǎn)單地說，就是暗能量會(huì)使時(shí)空結(jié)構(gòu)膨脹，并且抵消引力作用。
目前探測(cè)暗能量的方法或?qū)嶒?yàn)有很多種，主要可以分為兩大類：天文觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。天文觀測(cè)主要是利用暗能量對(duì)宇宙膨脹速度、星系分布、引力透鏡等現(xiàn)象的影響，來推斷暗能量的存在和性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)主要是利用高能粒子加速器、超冷原子、光學(xué)腔等裝置，來模擬或產(chǎn)生暗能量場(chǎng)，從而檢驗(yàn)暗能量理論的有效性和可行性。關(guān)于暗能量究竟是什么，我們還沒有確切的答案。暗物質(zhì)至少我們還能通過引力透鏡間接地觀察它，推斷它大概在哪個(gè)位置，但暗能量就像是隱藏在宇宙間的幽靈，從種種跡象我們知道應(yīng)該有這個(gè)東西，但是至于它在哪、究竟是什么，我們都一無所知。無論如何，暗物質(zhì)和暗能量都是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性和吸引力的研究領(lǐng)域，如果我們想要了解宇宙的本質(zhì)和命運(yùn)，就必須揭開它們的神秘面紗。如果我們能夠發(fā)現(xiàn)它們的本質(zhì)，就可能開啟物理學(xué)的新篇章，推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。
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