“神秘的物質世界”添加惰性中微子

超出人們理解的奇妙暗物質和暗能量在宇宙構成中佔據了絕對比重，宇宙在過去的幾十億年處於大膨脹的過程中。過去的30年，大多數宇宙學家試圖以“標準模型理論”回答宇宙的動力學問題，他們在宇宙形成的模擬和匹配的觀測數據方面取得了長足進步和很大的成功，但是，有些天體現象不符合標準模型理論的預測，所有的差異最終回到對觀測事實的解釋，或重新思考更爲基礎的問題。在2015年的7月7日舉行的一次天文大會(NAM)的特別會議上，天文學家討論熱烈，發言積極，各種觀測證據激發了天文學家對超越標準模型宇宙學思考的熱情。

對額外的、“神出鬼沒”的暗物質粒子而言，科學家普遍認可的候選對象是所謂的冷暗物質(CDM)，它的運動速度比光速緩慢得多，冷暗物質和電磁輻射產生微弱的相互作用，天文學家和物理學家未能探測到它們。英國杜蘭大學計算機宇宙學研究所(ICC)的研究員索納克·博斯在NAM 2015的講壇發佈了新的預測，作爲暗物質粒子對象之一的惰性中微子在最近的探測中似乎得到了某種證實。惰性中微子比普通中微子顯得冷談，惰性十足，它們和普通物質粒子發生微弱的引力作用。

惰性中微子和其它冷暗物質（CDM）粒子存在根本的不同，惰性中微子在宇宙大爆炸時刻比CDM的運動速度更高，它們從誕生之地隨機地向外飛馳，小規模結構體的丰度值隨之減少。通過建立宇宙從起點開始的演化模型，科學家尋找宇宙目前物質結構的分佈狀態，從諸如矮星系的結構檢測出惰性中微子和冷暗物質（CDM）中一種與觀測結果相符。

兩個獨立的科學團體去年探測了一種未有解釋的在X—射線波段的發射譜線，他們使用了錢德拉太空望遠鏡和XMM—牛頓X—射線望遠鏡觀測了星系的集羣，譜線能量符合理論的預測，惰性中微子將在宇宙的生命週期發生衰變。博斯和杜蘭大學的同事使用一種複雜的星系形成模型檢測惰性中微子是否與觀測的數據相符合，以確定暗物質粒子的性質。複雜的模型顯示，惰性中微子的預期與觀測數據廣泛適配，它們也許能夠通過過目前有關暗物質天體物理學的檢驗，這可能是惰性中微子存在的第一個證據，令人激動的好消息使得博斯和他的同事進一步研究惰性中微子如何在星系中存在和它們的暗物質性質。

不是每一位天體物理學家都相信，額外的暗物質是解釋天文觀測結果時必須考慮的因素，英莊尼爾·班尼克和聖安德魯斯大學的同事相信，也許存在引力理論的改進版本，以避免考慮暗物質的因素，他們構建了細節性的物理模型，以此預測了本星系團的星系速度，銀河系和鄰近仙女座星系的質量決定了這些星系的運行速度。我們的宇宙在大尺度上發生了膨脹，離我們越遠的星系退行的速度越快，但是，星系退行速度與星系距離成正比的規律在本星系團的尺度上變得十分模糊，以牛頓引力理論爲基礎構建的模型不能很好地符合天文觀測的結果，本星系團的一些星系向外退行的速度十分迅速，銀河系和仙女座星系的質量似乎未能對它們施加引力的影響。

聖安德魯大學的科學小組指出，似乎異常地快速移動的星系可用引力推進原理進行解釋，在大約90億年前，在銀河系和仙女座星系發生了近距離的相遇，兩個星系“擦肩而過”，彼此穿行，運行速度大約爲每秒370英里、或每秒600公里，奇妙的引力反應被天體物理學稱之爲“彈弓效應”，銀河系和仙女座星系施加的引力效應加速了本星系團其它星系的移動。爲了讓宇宙飛船抵達太陽系的外側行星，科學家使用了運動加速器的“彈弓技巧”。

在銀河系和仙女座星系的大天體情形中，受到在周圍移動的矮星系的引力影響，它們的移動速度出現輕微的下降，相反，質量輕得多的矮星系的移動速度得到了很大提升。“彈弓效應”符合他們的觀測結果，卻與牛頓引力理論的預測不符，牛頓的引力理論似乎不能預測當銀河系和仙女座星系近距離相遇時形成的引力強度，似乎需要改進版的引力理論，以符合星系觀測中引力不斷增加的證據。

暗能量是一個有爭議的問題，通過測量Ia類超新星獲得了第一類暗能量存在的證據，暗能量場的作用被認爲引起了宇宙的加速膨脹。Ia類超新星成爲天文學家測量天體距離的“宇宙燈塔”。然而，不斷增加的觀測證據顯示，Ia類超新星似乎不是最理想的“標準燭光”。當白矮星獲得了超過臨界性的質量時發生了超新星暴，它看起來好像一顆恆星發生了猛烈的爆炸。天文學家對Ia類超新星亮度的精確觀測與它們所在主星系的環境有關，希瑟·坎貝爾和他的劍橋大學同事應用了大量超新星和主星系的樣本，以確定主星系和超新星亮度的相互關係。

如果天文學家期望對暗能量作出可能性的精確測量，那麼關鍵的選項在於如何理解主星系的特徵，更大質量的主星系通常擁有更微弱光度的超新星。如果不將星系特徵適當地加以考慮，那麼科學家對宇宙暗能量的數量將考慮不足。未來的諸如LSST望遠鏡和歐幾里得太空使命對星系特徵和暗能量的探索顯得至關重要，天文學家試圖對宇宙的膨脹速度進行精確測量。最近幾年，宇宙學取得了巨大進步，然而，許多問題依舊存在，甚至未能“浮出水面”。世界性的天文學大會提供了交流機會，現有的理論與前沿的天文觀測存在差異，解釋和修補兩者的差異推動了天文學和物理學的發展，嘗試對標準模型未能解釋的物理現象進行解釋，這將產生新物理學的契機。

（編譯：2015-7-9）

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