第625章 重子
“在天文馆的时候，我一直不明白什么是重子灾难，你们谁能解释吗？”
知道要很长时间，才能回到基地的吴刚问道。
“你们其他人也想听？”
虚妄无奈地看着其他人问道。
“我无所谓，你不回答，我回答也可以。”
五号淡定地说道。
“我没意见。”
楚云说道。
“我也没意见。”
李思特说道。
“你说吧。”
虚妄看着五号说道。
“首先你们要知道，宇宙中的重子对暗物质的比例太大，使得所有类型物质加起来的数量，不可能正好符合暴涨理论最简单版本的预言和使时空平坦。
宇宙的大部分物质存在于某种不可见的形态中，这已得到可靠证明。
但是，当理论家愉快地以加进了冷暗物质、热暗物质、wimp和混合暗物质等稀罕之物的各种数学模型自娱时，
观测家却在慢慢揭示一个可厌的真理。
尽管宇宙中确实有一些暗物质，却可能不如某些受到偏爱的模型暗示的那么多。”
五号说道。
“宇宙大爆炸啊，怎么说？”
吴刚问道。
“你们要知道，标准的热大爆炸模型认为，宇宙中的物质应该很接近于既能使时空平坦、又正好防止它永远膨胀所需要的临界数量。
但是，早期宇宙中轻元素如何形成的理论，限制普通重子物质的密度只有这一数值的大约1／20，其余的宇宙绝大部分则由某种奇异粒子如轴子组成。
这些粒子的存在虽然由标准粒子物理学理论所预言，但从未被直接观测到。”
五号说道。
“怎么说？”
李思特问道。
“在很多科学家喜爱的冷暗物质宇宙模型中，暗粒子对亮物质的引力影响导致了各种结构的产生，先是小尺度的，随着宇宙的演化，尺度越来越大。
暗物质的证据来自各种不同尺度上的观测。
在我们银河系内，不可见物质至少同可见物质一样多。
但对麦哲伦云中恒星的引力透镜效应观测表明，暗物质的这一特定成分可能是重子物质，既可以是大行星，也可以是叫做褐矮星的黯淡小质量恒星。”
五号说道。
“这个就是证据？”
四号问道。
“这是根据恒星和气体云绕旋涡星系外围运动的速率，也得到了存在更广延暗物质晕的证据，但这些仍然可能是重子物质。
当我们着眼于单个的星系时，确实完全没有必要乞灵于cdm。
然而，没有理由认为星系的内含物能够代表整个宇宙。”
五号解释道。
“你最后的论点，又能说什么？”
李思特问道。
“你们要知道，当一个原星系开始坍缩时，它应该已经含有了一般的重子物质混合物再加上暗物质。”
五号说道。
“为什么要加上暗物质？”
楚云问道。
“你们要知道，暗物质是冷的，就是说它的个别粒子的运动与光速相比是慢的，但与重子物质一样具有足够能量产生压力，将它们扩散到一个大空间中。
重子因辐射电磁波而损失能量，所以它们很快冷却。
气体云的重子成分失去热的支持，便下沉到原星系云的中央，形成了我们今天看到的星系。
这就使得不能冷却的暗物质扩散到一个大得多的范围。”
五号说道。
“得出了什么结论？”
李思特问道。
“结果是，要找到更具代表性的混合物质，我们必须考察更大的、更晚形成且冷却作用较小的结构。”
五号说道。
“你说的是星系团？”
楚云问道。
“是的，你们要知道，一个典型的富星系团可能包含1000个星系，支持它们对抗引力的是它们的无规速率。
利用星系运动引起的多普勒效应，测出无规速率可超过1000公里每秒。
多普勒效应使得星系波谱中的特征不是向蓝端就是向红端位移。”
五号说道。
“但是你要知道，这与宇宙膨胀产生的红移无关，后者必须从这些测量中扣除。”
虚妄提醒道。
“多普勒效应，会让令星系的动能等于它们的引力势能，就可以估计出星系团的总质量。
这样的计算最早是弗里茨·兹威基在1930年代完成的，他得出了当时令人惊奇的结论：星系只占总质量的很小部分。
也因为这个结论，致使许多天文学家将兹威基的发现忽略了几十年之久。”
五号说道。
“为什么？”
楚云问道。
“因为，在当时既没有粒子物理学实验背景，又缺少今天已知的宇宙模型的情况下，天文学家如果热心于试图通过观测将这种失踪物质证认为热气体的话，应该说是情理之中。
然而却没有人这么做，这也许是因为气体的物理条件，使它不能用任何当时的手段探测到。”
五号说道。
“然后呢？”
楚云问道。
“你们要知道，气体粒子的运动速率与星系的相近，这相当于气体温度约1亿度，足以从原子核剥去除束缚最牢固的以外的全部电子，留下带正电荷的离子。
这种电离气体的辐射主要在可被地球大气吸收掉的x射线波段。”
五号说道。
“然后呢？”
楚云问道。
“这就要从，1970年代发射x射线卫星天文台之后，才发现星系团是非常明亮的x射线源，人们终于认识到，热气体，或星系团内物质（icm），是不能忽略。
现在已经知道，icm是星系团的一个很重要的成分。
它不单是含有比星系更多的物质，它的温度和空间分布还可用来查找引力势，因而能够以比单用星系高得多的精度算出星系团的总质量。”
五号说道。
“怎么才能知道气体的总质量？”
吴刚问道。
“要得到气体的总质量，需要考察辐射速率。
这一辐射是相反电荷粒子之间的碰撞产生的，因而依赖于气体密度的平方。
我们观测的是投影发射，就是假设星系团是球对称的并被压扁在天空平面上，这样比较容易进行换算以求出密度如何随着离星系团中心的距离而变化。
结果发现气体延伸范围比星系宽广得多，在有些情况下可追踪到离星系团中心几百万光年之处。”
五号说道。
知道要很长时间，才能回到基地的吴刚问道。
“你们其他人也想听？”
虚妄无奈地看着其他人问道。
“我无所谓，你不回答，我回答也可以。”
五号淡定地说道。
“我没意见。”
楚云说道。
“我也没意见。”
李思特说道。
“你说吧。”
虚妄看着五号说道。
“首先你们要知道，宇宙中的重子对暗物质的比例太大，使得所有类型物质加起来的数量，不可能正好符合暴涨理论最简单版本的预言和使时空平坦。
宇宙的大部分物质存在于某种不可见的形态中，这已得到可靠证明。
但是，当理论家愉快地以加进了冷暗物质、热暗物质、wimp和混合暗物质等稀罕之物的各种数学模型自娱时，
观测家却在慢慢揭示一个可厌的真理。
尽管宇宙中确实有一些暗物质，却可能不如某些受到偏爱的模型暗示的那么多。”
五号说道。
“宇宙大爆炸啊，怎么说？”
吴刚问道。
“你们要知道，标准的热大爆炸模型认为，宇宙中的物质应该很接近于既能使时空平坦、又正好防止它永远膨胀所需要的临界数量。
但是，早期宇宙中轻元素如何形成的理论，限制普通重子物质的密度只有这一数值的大约1／20，其余的宇宙绝大部分则由某种奇异粒子如轴子组成。
这些粒子的存在虽然由标准粒子物理学理论所预言，但从未被直接观测到。”
五号说道。
“怎么说？”
李思特问道。
“在很多科学家喜爱的冷暗物质宇宙模型中，暗粒子对亮物质的引力影响导致了各种结构的产生，先是小尺度的，随着宇宙的演化，尺度越来越大。
暗物质的证据来自各种不同尺度上的观测。
在我们银河系内，不可见物质至少同可见物质一样多。
但对麦哲伦云中恒星的引力透镜效应观测表明，暗物质的这一特定成分可能是重子物质，既可以是大行星，也可以是叫做褐矮星的黯淡小质量恒星。”
五号说道。
“这个就是证据？”
四号问道。
“这是根据恒星和气体云绕旋涡星系外围运动的速率，也得到了存在更广延暗物质晕的证据，但这些仍然可能是重子物质。
当我们着眼于单个的星系时，确实完全没有必要乞灵于cdm。
然而，没有理由认为星系的内含物能够代表整个宇宙。”
五号解释道。
“你最后的论点，又能说什么？”
李思特问道。
“你们要知道，当一个原星系开始坍缩时，它应该已经含有了一般的重子物质混合物再加上暗物质。”
五号说道。
“为什么要加上暗物质？”
楚云问道。
“你们要知道，暗物质是冷的，就是说它的个别粒子的运动与光速相比是慢的，但与重子物质一样具有足够能量产生压力，将它们扩散到一个大空间中。
重子因辐射电磁波而损失能量，所以它们很快冷却。
气体云的重子成分失去热的支持，便下沉到原星系云的中央，形成了我们今天看到的星系。
这就使得不能冷却的暗物质扩散到一个大得多的范围。”
五号说道。
“得出了什么结论？”
李思特问道。
“结果是，要找到更具代表性的混合物质，我们必须考察更大的、更晚形成且冷却作用较小的结构。”
五号说道。
“你说的是星系团？”
楚云问道。
“是的，你们要知道，一个典型的富星系团可能包含1000个星系，支持它们对抗引力的是它们的无规速率。
利用星系运动引起的多普勒效应，测出无规速率可超过1000公里每秒。
多普勒效应使得星系波谱中的特征不是向蓝端就是向红端位移。”
五号说道。
“但是你要知道，这与宇宙膨胀产生的红移无关，后者必须从这些测量中扣除。”
虚妄提醒道。
“多普勒效应，会让令星系的动能等于它们的引力势能，就可以估计出星系团的总质量。
这样的计算最早是弗里茨·兹威基在1930年代完成的，他得出了当时令人惊奇的结论：星系只占总质量的很小部分。
也因为这个结论，致使许多天文学家将兹威基的发现忽略了几十年之久。”
五号说道。
“为什么？”
楚云问道。
“因为，在当时既没有粒子物理学实验背景，又缺少今天已知的宇宙模型的情况下，天文学家如果热心于试图通过观测将这种失踪物质证认为热气体的话，应该说是情理之中。
然而却没有人这么做，这也许是因为气体的物理条件，使它不能用任何当时的手段探测到。”
五号说道。
“然后呢？”
楚云问道。
“你们要知道，气体粒子的运动速率与星系的相近，这相当于气体温度约1亿度，足以从原子核剥去除束缚最牢固的以外的全部电子，留下带正电荷的离子。
这种电离气体的辐射主要在可被地球大气吸收掉的x射线波段。”
五号说道。
“然后呢？”
楚云问道。
“这就要从，1970年代发射x射线卫星天文台之后，才发现星系团是非常明亮的x射线源，人们终于认识到，热气体，或星系团内物质（icm），是不能忽略。
现在已经知道，icm是星系团的一个很重要的成分。
它不单是含有比星系更多的物质，它的温度和空间分布还可用来查找引力势，因而能够以比单用星系高得多的精度算出星系团的总质量。”
五号说道。
“怎么才能知道气体的总质量？”
吴刚问道。
“要得到气体的总质量，需要考察辐射速率。
这一辐射是相反电荷粒子之间的碰撞产生的，因而依赖于气体密度的平方。
我们观测的是投影发射，就是假设星系团是球对称的并被压扁在天空平面上，这样比较容易进行换算以求出密度如何随着离星系团中心的距离而变化。
结果发现气体延伸范围比星系宽广得多，在有些情况下可追踪到离星系团中心几百万光年之处。”
五号说道。