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解读暗物质,如果没有它碳基生命就不会出现

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图注:单独由正常物质(L)控制的星系在外围的旋转速度比向中心低得多,类似于太阳系中的行星移动方式。然而,观测表明,旋转速度与星系中心的半径(R)基本无关,因此推断必须存在大量的不可见物质或暗物质。没有暗物质,我们所知道的生命就不会存在。

在宇宙中所有值得感谢的东西中——恒星、行星、原子、分子等等——汇聚在一起,使我们的存在成为可能——暗物质被包括在内似乎很奇怪。即使在我们自己的太阳系中,暗物质一定存在,尽管它的引力效应不是很明显,对行星、卫星、小行星和柯伊伯带天体的所有轨道的贡献都比矮行星谷神星要少。

然而,没有暗物质,我们所知道的宇宙不会像它那样存在。恒星将是宇宙中极其罕见的实体,而拥有类似太阳的恒星和类似地球的行星的大型星系几乎是不可能的。暗物质使宇宙产生我们,没有它,我们就不会在这里。这是我们每个人都应该感谢的宇宙故事。

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图注:各种碰撞星系团的X射线(粉红色)和整体物质(蓝色)地图显示了清晰的…正常物质和引力效应之间的分离,是暗物质的一些最有力证据。尽管我们探测的一些模拟表明,一些星团的移动速度可能比预期快,但模拟仅包括引力,其他效应(如反馈、恒星形成和恒星灾难性)对气体可能也很重要。没有暗物质,这些观测结果(以及许多其他观测结果)无法得到充分的解释。

在天文尺度上,特别是在宇宙大尺度上,暗物质的观测证据是压倒性的。如果没有暗物质的引力效应:

  • 星系不会像观察的那样旋转,
  • 单个星系移动太快,不能停留在绑定的星团中,
  • 星系团碰撞(上图)不会显示正常(X射线发射)物质和引力透镜(由暗物质驱动)信号之间的分离,
  • 宇宙网不会显示它所展示的聚类特性,
  • 宇宙微波背景的波动模式看起来会有很大的不同。

支持暗物质存在的证据是压倒性的。在我们星系中,正是由于暗物质的存在,让构成岩石行星和碳基生命所需的物质元素保持在星系内,使得生命的出现成为可能,但遗憾的是,许多人并不这么认为。

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  • 图注:普朗克合作的最终结果表明,对暗能量/暗物质丰富的宇宙学(蓝线)的预测与普朗克团队的数据(红点、黑误差条)之间有着非凡的一致。所有 7 个声峰都非常适合数据,但如果没有暗物质,这些峰值中大约有一半不存在。(普朗克 2018 结果)

不管暗物质是什么,它在整个宇宙过程中一定存在着大致相同的量。从观测看到,宇宙微波背景中出现的暗物质的特征告诉我们,宇宙诞生后不到几千年的时间里,暗物质就已经存在,这需要解释上图中大约一半的”声峰”特征的存在。

大多数宇宙模型认为,暗物质出现在大爆炸后的第一个半秒中,尽管刚开始暗物质看上去并不怎么重要。但是,由于正常物质和暗物质共同孕育出的结构种子,在时间和引力的作用下,物质崩溃到足够致密,在这些区域形成宇宙中的第一批恒星和原星系。

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  • 图注:宇宙中的第一批恒星和星系将被(大部分)氢气体的中性原子所包围,这些气体吸收星光并减缓任何弹射。这些早期恒星的庞大质量和高温有助于使宇宙电离,但除非有足够的重元素形成并回收到未来几代的恒星和行星中,生命和可能适宜居住的行星是完全不可能的。

从更高的角度来看,宇宙是否有暗物质并不重要。当大型分子云(主要是氢和氦)气体坍塌时,这些恒星就会形成,无论哪种情况,都要花上千万到数亿年的时间。第一批恒星,由于完全缺乏较重的元素,辐射和冷却与现代恒星不同;”第一批恒星”的质量大约是今天形成的一般恒星的25倍。

这些巨大的恒星将是明亮和短暂的,通过燃烧它们核心的燃料,也许比我们的太阳快一千倍。当核心耗尽燃料时,并通过越来越重的元素地燃烧,这些恒星会收缩、加热和燃烧。在某一关键时刻,辐射压力会随着燃料的低运行而下降,核心在自身引力作用下坍塌,引发超新星爆炸。

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一颗巨大的恒星在其整个生命中被解剖,当核心耗尽核燃料时,最终形成II型超新星。核聚变的最后阶段通常是硅燃烧,在超新星出现之前,在核心中产生铁和铁样元素只有很短的时间。许多超新星残余物将导致中子星的形成,通过碰撞和合并,中子星可以产生最重元素的最大丰度

这些超新星在第一颗恒星的任何地方都迅速地发生。但是,暗物质的存在对我们的存在非常重要:我们大部分重元素来自第一批超新星。生物学所需的元素,包括碳、氧、氮、磷和硫,需要这些巨大的恒星生存、死亡,并将其宇宙内部循环成下一代恒星。

为了对形成岩石行星和有机化合物做出有意义的贡献,这些重元素不仅需要被创造(它们位于这些恒星和灾难中,而不管暗物质如何),而且需要加以保留和充分利用。在第一批和早期的星团中,暗物质发挥着如此重要的作用。

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图注:17世纪超新星在仙后座序列图。周围的材料加上EM辐射的持续发射,都对残余物的持续光起着一定的作用。超新星是大于10个太阳质量的恒星的典型命运,尽管有一些例外。这种超新星残余物中的物质移动速度极快,接近光速的5%。

我们非常详细地观察了超新星爆炸,我们了解到结果之一是这种物质如何迅速地从恒星中弹射出来,这些恒星以这种方式经历了死亡的痛苦。典型的速度相当巨大:在1000公里/秒左右,或光速的十分之一。事实上,仙后座A超新星的残骸,可以追溯到17世纪我们银河系一次爆炸,以5000到14,500公里/秒将它弹出银河系!

相比之下,我们自己的太阳以相对微不足道的速度以220公里/秒的速度绕着银河系运行,如果它移动得非常快(比如,速度是银河系的三倍),它将从银河系的引力中逃脱。年轻宇宙中的星团和早期原星系质量要小得多,也更容易从引力中逃脱。如果我们不小心,我们努力创造的所有元素都会被赶出这些快速运行的星系。

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图注:从理论上讲,任何星系中的大多数暗物质都存在于吞没正常物质的巨大光环中,但占据着大得多的体积。虽然大型星系、星系团甚至更大的结构可以间接确定其暗物质含量,但准确追踪暗物质分布是具有挑战性的。

在早期宇宙中,超新星周围还有其它物质(如中性气体),但即使粉碎到所有这些物质中,也不足以让这些年轻的星团抓住大部分超新星喷射。这些低质量物体,由于它们相互引力而紧密地结合在一起,将无法承受哪怕是适度快速、能量充沛的弹射。

但现在,如果你添加暗物质,故事将发生巨大变化。正如我们的星系有一个巨大的、扩散的暗物质光环围绕它,所以,在宇宙中各种尺度的所有大型,引力驱动的结构都应该如此。由于这个暗物质的巨大引力影响,暗物质给宇宙一个保持其结构在一起的机会。

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  • 图注:雪茄星系,M82,和它的超星系风(红色),展示了发生在它里面的快速新恒星形成。这是最接近的恒星形成,像这样的快速恒星形成,它的风是如此强大,如果没有暗物质,几乎所有由这些恒星的死亡产生的重元素将被永久地弹出。

如果不是巨大的暗物质光环提供的额外引力,从超新星中喷出的绝大多数物质将永远从星系中逸出。中子星合并、白矮星碰撞和其他大量产生重元素的灾难性事件也是如此。如果没有这些高级的“积木”留在星系中,复杂的分子和岩石行星仍然是不可能的。

当下一代恒星试图形成时,如果没有暗物质,它只有微不足道的重元素。在我们这个物质丰富的宇宙中,这些重元素会随着时间推移而大量积累——它们占目前总正常物质的1-2%——在一个没有暗物质的宇宙中,重元素的丰度可以忽略不计。

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图注:模拟(红色)和星系测量(蓝色/紫色)显示相同的大规模聚类模式,即使您查看数学细节也是如此。如果暗物质不存在,许多这种结构不仅在细节上会有所不同,而且会被冲走;星系将是罕见的,并充满了光元素。

此外,大规模宇宙网生长和将物质注入它的标准场景,也不会以同样的方式起作用,因为一个没有暗物质的宇宙没有同样的物质来推动结构的形成。单单是正常物质,规模较小的结构就会被冲走,而形成更大的星系将非常稀疏,在整个宇宙中数量很少。

即使在这些天文罕见的,偶尔的大星系仍然无法保持其较重的元素,即使在最核心的区域最大规模星系。即使保留少量这些元素,这些环境目前也被认为由于大量的宇宙辐射和附近的灾难而无法居住。

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  • 图注:银河系中心的多波长视图从X射线穿过光学到红外线,展示了射手座A+和位于约25,000光年外的星系内部介质。黑洞的质量约为400万太阳,而整个银河系每年形成不到一颗新太阳的恒星价值。没有暗物质,即使星系中心也基本上没有重元素,使得在宇宙任何地方形成生命的前景几乎不可能。

在没有暗物质的宇宙中,我们可能仍然拥有恒星和星系,但唯一的行星将是气体巨大的世界,没有岩石世界可言。没有碳,就没有有机分子;没有氧气,就没有液态水;如果没有周期表中的大量元素,生化生命将完全不可能。

只有存在巨大的暗物质光环、周围的星系和推动宇宙网的生长,像地球这样的行星或碳基生命才能在陆地上形成。当我们开始了解是什么构成我们的宇宙,它是如何成长为这样,一个不可避免的结论出现:暗物质是生命出现的根本必要条件。没有它,所有生命的基础的化学成分就不可能发生。今天和每一天,我们应该感谢宇宙故事的每一个部分,比如让我们存在的暗物质!

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