專家答疑

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什麼是暗物質,它如何影響宇宙?

達特茅斯學院的宇宙學家羅伯特·考德威爾提供了以下解釋

暗物質是針對一個尚未解決的現象——星系和星系團(受引力束縛的星系群)的引力質量測量值與發光質量(由發光物質貢獻的質量)之間的不匹配——提出的一個可能的解決方案。這種差異表明宇宙中存在著不能有效發光的物質——因此,它是不可見的,或者說是“暗的”。


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我們可以透過測量恆星衛星的軌道速度和半徑來確定恆星等天體的引力質量。為了找到星系的發光質量,我們使用已知的恆星質量、顏色和光度之間的關係,將觀測到的來自星系的光的顏色和強度轉換為其組成恆星的總質量。這種質光比表明,星系和星系團的引力質量遠遠超過發光質量。

因此,存在的物質比我們能看到的要多。其他指標,包括美國國家航空航天局最近對宇宙微波背景輻射的測量(它提供了早期宇宙的景象),為我們提供了進一步的資訊:暗物質的質量是正常物質的 6 倍。

暗物質可能是什麼?許多物理學家和天文學家懷疑它是一種他們尚未能夠探測到的粒子。典型的暗物質候選者是類似於中微子的東西——一種類似於電子但質量小得多且不帶電荷的粒子。然而,所有已知型別的中微子都太輕且太稀有,無法符合暗物質的理論描述。

暗物質如何影響宇宙?它一定是宇宙中最大結構:星系和星系團的基本組成部分。而且暗物質不僅僅解釋了宇宙中遙遠天體的行為;它也一定在我們銀河系內大量存在。對銀河系組成的估計預測,我們的太陽系浸泡在精細的暗物質海洋中,其密度高達每立方米約 105 個粒子。而且,隨著地球繞太陽執行,當我們順著或逆著這片黑暗海洋流動時,我們會經歷黑暗的“季節”。

月球也會對地球大氣產生潮汐效應嗎?

—T. 迪根蒂,馬薩諸塞州薩默維爾

科羅拉多大學博爾德分校的研究科學家拉希德·阿克馬耶夫回覆道

簡短的回答是肯定的。在不同時期,這個問題曾困擾過像英國物理學家艾薩克·牛頓和法國數學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯這樣的著名科學家,後者描述海洋行為的理論在兩個世紀前就預測了大氣潮汐的存在。

首先,讓我們考慮一下海洋潮汐是如何發生的。在海洋表面離月球最近的點,月球的引力最強,將海洋拉向它。在地球的另一側,月球的引力最弱,這使得海洋再次向外凸出,在這種情況下是遠離月球。

現在把大氣層想象成一個海底是地球表面的海洋。拉普拉斯的理論預測,每個太陰日會有兩個大氣壓最大值——高空大氣物質量的峰值——與兩個海洋隆起相對應。隨著海洋膨脹,它上方的大氣層也會膨脹。

令人驚訝的是,觀測表明太陽引起的半日大氣潮汐要強得多,儘管太陽的引力影響不到月球的一半。拉普拉斯認為,強烈的太陽潮汐主要是由太陽加熱而不是太陽引力產生的——科學家最終在 20 世紀 60 年代證實了這一假設。

如需閱讀來自不同領域科學家的這些答案和其他答案的完整文字,請訪問www.sciam.com/askexpert

大眾科學雜誌第 295 卷第 5 期這篇文章最初以“專家答疑”為標題發表於大眾科學雜誌第 295 卷第 5 期(),第 108 頁
doi:10.1038/scientificamerican1106-108
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