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银河系为何能高速旋转

我们今天知道,在太阳轨道附近暗物质的密度,大约是1/3个质子的质量每毫升!质子的质量是10的负27次方千克。暗物质的密度比空气密度要低21个数量级,1后面要跟21个零!你可能会问,这么稀薄的暗物质,比空气低这么多数量级,为什么会影响银河系的演化呢?答案是这样的,这样稀薄的暗物质对小尺度肯定没有影响,但是当它聚集到很大、大于银河系的尺度,就可以像粘合剂一样把银河系粘在一起,宇宙才能够形成今天这个样子。今天,我们真正想了解的并不是暗物质在天文学、宇宙中的表象,我们更想理解暗物质到底是什么?就像我们已知的所有东西,人也好、动物也好,细菌也好,病毒也好,不停往下分,分到最后的话,最后就分成所谓的基本粒子,比如电子、质子这些了。每一个电子长得一模一样,加速主义 虽然质子并不是最基本的,质子下面还有夸克,但是组成它们的上夸克总是一样的,下夸克总是一样的,也就是存在最小的、不可分割的单元。

同样,暗物质本质的研究,就是要给一个最不可分割的暗物质基本粒子来画肖像,了解它的质量是什么样、电荷是什么样(应该为零)、自旋是什么、相互作用的强度是什么,这就是我们想做的研究。如果暗物质和普通物质之间,除了引力相互作用之外还有一种微观的相互作用,比如上世纪70年代就开始流行的弱相互作用重粒子(WIMP)的理论,这种暗物质的粒子就可以在实验室更加精细的研究。总的来说有实验上有三种主要手段,一种叫做直接碰撞;第二种是测量他们被“破坏”之后的产物;第三种是在很高能的加速器上把暗物质产生出来,我们通常称为这直接探测、间接探测和对撞机探测。你把暗物质晕可以想象成包着银河系很大的“雾霾”,太阳系就像骑着摩托车的人一样。摩托车以高速相对“雾霾”前进,这个速度大概是光速的千分之一。这样“雾霾”粒子就对着骑摩托车的人有很大的动量。因此对于地球上的探测器,暗物质粒子携带着动量和能量,可以通过普通物质受到撞击以后得到的反冲来测量这种暗物质。这个简单的原理是1985年由Witten和Goodman提出的想法,寻找暗物质和普通物质原子核相互碰撞以后原子核被踢出去的信号。但如果你发现了这种非常微弱的碰撞之后,你怎么就能说这个信号就是暗物质造成的呢?这就是实验家要做的事,他们不是仅仅在等,他们需要理解什么样的信号是真正来自暗物质和普通物质的碰撞!

CC BY-NC-ND 2.0

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