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搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第73期,对话中国科学院国家天文台研究员、宇宙学巡天研究团组首席科学家巩岩。

嘉宾简介:巩岩,中国科学院国家天文台研究员、宇宙学巡天研究团组首席科学家、CSST国家天文台科学研究中心常务副主任。主要从事暗能量和暗物质理论模型、宇宙大尺度结构、发射线强度映射巡天、宇宙红外背景等方面的研究。

划重点:

01 Gupta所说的暗物质不存在这个结论还有待观察,还得让“子弹”再飞一会。

02 Gupta之所以预言宇宙是267亿岁,主要是为了符合JWST的高红移星系观测数据,但目前JWST的观测数据还有待进一步论证,因为光谱观测样本比较少,测光观测样本量大但并不够精确。

03 子弹星系团就是一个暗物质存在的非常直接的证据,暗物质是目前解释宇宙多种现象的一个比较简单有效的手段。

04 现在没有从实验上探测到暗物质的粒子,只是从一些天文观测现象上判断可能有暗物质的存在。

05 这些理论都是人类基于目前观测的一些猜想,并没有被证实,主要看你更相信哪个。

出品 | 搜狐科技

撰文 | 周锦童

有人说,暗物质是宇宙中最神秘的存在,看不见又摸不着,尽管宇宙中存在暗物质是大多数科学家所相信的观点,但对于暗物质的质疑从未停歇……

近期,加拿大渥太华大学教授Rajendra Gupta利用共变耦合常数和老化光理论相结合的模型,即CCC+TL模型分析认为,宇宙中可能没有暗物质,此前他还曾提出,宇宙的年龄可能为267亿岁。

Gupta的研究有哪些意义?暗物质到底存不存在?目前对暗物质的研究进展如何?带着这些问题,搜狐科技对话了中国科学院国家天文台研究员、宇宙学巡天研究团组首席科学家巩岩。

对此,巩岩表示:“这个理论的提出当然是个好事情,是一次有趣且勇敢的尝试,但他所说的暗物质不存在这个结论还有待观察,还得让‘子弹’再飞一会。”

谈及研究本身,巩岩表示,这个理论模型的提出很大程度上是为了解释JWST(詹姆斯·韦布空间望远镜)的高红移星系观测数据的,但目前JWST的观测数据还有待进一步论证,因为JWST的光谱观测样本比较少,而测光观测虽然有大量样本但并不够精确。

此外,虽然目前国内外探测暗物质的实验有很多,“但现在还是没有从实验上探测到暗物质的粒子,只是从一些天文观测现象上判断可能有暗物质的存在。不过就像大多数科学家相信的那样,暗物质是目前解释宇宙多种现象的一个比较简单有效的手段。”巩岩如是说。

根据当前天文学观测,科学家们认为目前宇宙中有95%的东西是未知的,而这其中包括25%的暗物质,还有70%的暗能量。

巩岩表示:“这些理论都是人类基于目前观测的一些猜想,还并没有被证实,只能说这些理论尝试增加了人类对太空探索的好奇心。除了仰望星空,更需要脚踏实地的努力,制造出更可靠更精密的探测器来进行探测。”

以下为对话实录(经整理编辑)

搜狐科技:您觉得Gupta的这项研究有哪些意义?

巩岩:我读了他的文章,他主要是使用宇宙学的几种观测数据,比如Ⅰa型超新星、BAO、CMB声学半径等,基本上是宇宙几何和膨胀历史方面的测量,这些数据本身还不够丰富。

总的来说他的研究是比较有意义的,至少对目前公认的Λ CDM模型提出了挑战。不过他的理论仍然比较初步,还缺乏多样性的观测数据来进一步验证,毕竟Λ CDM模型是身经百战的。当然提出新理论是个好事情,但是还得让“子弹”再飞一会。

搜狐科技:早在之前,Gupta还曾提出,宇宙的年龄可能为267亿岁,约为此前认为的两倍,对此您有什么看法?

巩岩Gupta之所以预言宇宙是267亿岁,主要是可以解释JWST(詹姆斯·韦布空间望远镜)的高红移星系观测数据,这样才能有更长的时间让早期星系演化成更大的星系,因为按照现在星系演化理论,是没有足够长的时间演化出JWST观测的这么多高红移大星系的。

目前大多数观测主要针对宇宙较晚时期的星系,即离我们比较近的时候,而只能以此推断早期星系的性质,所以对早期星系的性质并不十分了解。通过推断表明,绝大多数早期星系应该是比较小且不规则的,但通过JWST的观测,发现早期星系好多都可能是较大的星系,这也就对现有的星系形成和演化理论提出了挑战。所以他提出的理论增加了宇宙年龄,从而增加了星系演化的时间,因此在一定程度上可以解决这个疑惑。

但问题就在于首先目前JWST的观测数据还有待进一步论证。因为目前JWST大多数观测数据基于测光观测,测光观测效率比较高且观测深度比较深,但缺点在于星系的红移等性质很难确定。因为谱分辨率不够,没有办法观测到谱线从而精准确定红移等信息,有时可能会把低红移星系认为是高红移星系。

此外,JWST还有光谱观测,虽然光谱观测比较精确,但光谱观测的问题就是非常耗时,积分时间比较长才能把光谱特征精确地探测出来。所以虽然现在JWST积极地开展光谱观测,但样本还是比较少,而测光观测虽有大量样本但并不准确。因此还需要进一步的观测证认,特别是光谱观测的证认。

其次,即使JWST的观测是正确的,就是说确实存在高红移星系性质和演化与目前星系形成和演化理论不相符的情况,其实也是有多种理论可以来解释的,并不是只有Gupta教授提出的这一种理论。而且有些理论似乎更为“靠谱”,而Gupta教授的理论只不过更加“吸引眼球”。

搜狐科技:Gupta通过CCC+TL模型分析认为宇宙中不需要暗物质,您是否认同他的这一观点?

巩岩:我目前并不认同这个观点,至少还有很大的疑虑。最重要的原因是这个模型还比较初步,缺乏进一步的观测数据支持。说实话不知道为什么这篇文章可以在这个阶段发表,目前的论述似乎还是太过简单了,如果是我审稿可能还会让作者再加一些必要的讨论来支撑。

其实子弹星系团就是一个暗物质存在的比较直接的证据,两个星系团正好高速相撞,通过弱引力透镜效应可以测量它们的质量中心,用X射线可以测量星系团内气体位置,发现与两个星系团的质量中心并不重合。

一般认为星系团中大多数的重子物质或者说一般的可见物质都集中在气体上,而气体位置和整个质量中心并不重合,这就说明存在一些看不见的物质,这些物质占了星系团质量的大多数,只不过它们不发光,没有发出X射线、可见光和其他波段的光,即很可能是暗物质。

搜狐科技:Gupta此前有几篇论文对暗物质的存在提出质疑,但这是第一篇提出宇宙暗物质不存在的论文,您觉得这是否为新的宇宙学模型提供了证据?是否为探索宇宙的基本属性开辟了新途径呢?

巩岩:归根到底这只不过是一个理论模型,其实类似的模型有很多,这个模型的一大动机或效用就是为了解释JWST早期星系观测为什么和目前星系理论不相符。

但目前学界更倾向于稍微修改一下星系形成演化理论就可以,因为观测数据和目前理论偏离情况并没有人们之前想的那么严重,甚至说可以在现有理论基础上把某些参数调大一些就能解释JWST的观测了。从这个意义上来说,他的理论只能算是一个有趣的探索。

搜狐科技:您可否谈谈目前关于暗物质的研究到什么程度了,进展如何?是否真的检测出了暗物质呢?

巩岩:简单来说现在还没有从实验上探测到暗物质粒子,只是从一些天文观测现象上判断可能有暗物质的存在。目前根据各种各样的宇宙学、天文学观测,所有证据都比较倾向于冷暗物质的存在,这里“冷”的意思就是说速度相较于光速比较慢。

当然探测暗物质的实验有许多,特别是探测暗物质主要候选者之一的弱相互作用大质量粒子,即WIMP。比如使用冷却晶体探测器、惰性气体闪烁体探测器探测等,还有用大型粒子对撞机看看能否碰撞出暗物质粒子等,但经过三四十年的探测,还是没有直接的证据。

所以有许多科学家转向到了对轴子暗物质的研究上,比如直接探测太阳中心是否有可能产生轴子,进行轴子穿墙实验等。主要是利用轴子在强磁场下能转变成光子这一机制来进行探测,但目前来说还是没有探测到。

尽管如此,大多数宇宙学家还是比较相信暗物质是存在的,因为它是解释宇宙多种现象的一个比较简单有效的手段和假设。

搜狐科技:我们国家是否也参与了对暗物质的探测实验呢?

巩岩:是有的。比如像直接探测暗物质粒子的四川锦屏山地下实验室,清华大学和上海交通大学开展了合作项目,清华大学用的是高纯锗探测器,上海交通大学则使用液氙探测器进行研究。

再比如我们也在宇宙中进行了探测,中国科学院常进院士就作为首席科学家领导实施了“悟空”号暗物质粒子探测卫星项目,探测暗物质粒子可能会发生的一些湮灭或者衰变信号,探测和理论预言的一般能谱有异常的地方。

搜狐科技:您觉得宇宙能够有序膨胀是否是因为有暗物质存在呢?如果没有暗物质又该如何维系?

巩岩:宇宙大爆炸之后会有一个自然的惯性膨胀,但因为宇宙中的物质有引力,所以物质过多的时候就会把宇宙拉回来从而形成大坍缩,如果宇宙中的物质恰好处在一个不多不少的状态,那就会持续膨胀下去。

如果宇宙中物质比较少,引力就会比较弱,那宇宙就会较为快速地膨胀。但如果暗能量占主导的话,这就会产生一种斥力,宇宙就会加速膨胀。

所以如果没有暗物质和暗能量,只有重子物质,那宇宙就会是一个开放的宇宙,宇宙中的物质太少没有办法控制速度,一下子就膨胀出去了。

搜狐科技:您觉得如果这一研究被证实,是否意味着宇宙大爆炸理论并不适用了?

巩岩:如果从他这个理论出发,不考虑理论对错,是不排斥宇宙大爆炸理论的。他的理论主要是能够让一些物理常数随时间发生变化,如光速和牛顿引力常数。就算没有暗物质和暗能量,只有重子物质,那也是需要宇宙大爆炸原初核合成产生适当的氢氦还有锂,进而形成这些大质量恒星,然后在恒星内部再诞生更多的元素,所以和宇宙大爆炸理论并不排斥。

搜狐科技:您觉得这一研究结果为未来人类探测太空有什么帮助?

巩岩:这个研究是一个有趣的探索和尝试,增加了人类对太空探索的好奇心。我们都知道标准宇宙学模型认为日常所见的重子物质只占宇宙中5%,宇宙中有95%的东西是未知的,而这其中包括25%的暗物质,还有70%的暗能量。这些理论都是人类基于目前观测的一些猜想,并没有被证实,主要看你更相信哪个。

但如果说有哪些帮助,可能理论部分仅限于此,除了仰望星空,更需要脚踏实地的努力,扎扎实实把技术做好,制造出更加可靠和精密的探测器来进行探测。

本文经授权转载自微信公众号“搜狐科技”。

 

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返朴

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溯源守拙·问学求新。返朴,致力好科普。

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