科学家将暗物质的重量缩小数万亿倍

暗物质与宇宙引力

位于大熊座尾部的螺旋星系NGC 5585是众多揭示了一种名为暗物质的隐形物质存在的星系之一。（图片来源：欧空局/哈勃和美国国家航空航天局，R.塔利；致谢：加甘迪普·阿南德）

科学家们终于弄清楚了暗物质的真正重量。暗物质是一种几乎无法察觉的物质，据说可以牵引一切物质，但不会发光。

这一新的估计有助于确定它的粒子的重量——这对揭开它的神秘面纱有一定的意义。

这项研究大幅缩小了暗物质粒子的潜在质量，从估计的10^-24电子伏特（eV）到10^19千兆电子伏特（GeV），缩小到10^-3电子伏特到10^7电子伏特——这可能是比以前小数万亿伏特到数万亿倍的质量范围。

英国萨塞克斯大学物理学和天文学教授泽维尔·卡尔米特表示，这些发现可能有助于暗物质研究者将精力集中在所指示的粒子质量范围上，或者将揭示宇宙中运行的一种未知的力量。

卡尔米特和同样来自萨塞克斯大学的博士生福尔克特·佩尔斯，在一项新的研究中描述了他们的努力，该研究将发表在3月份的《物理快报》B版上。

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什么是暗物质？

据估计，暗物质约占宇宙中所有物质的83%。它被认为只能通过引力与光和普通物质相互作用，这意味着它只能通过弯曲光线的方式被看到。

20世纪30年代，天文学家在观察星系团时发现了暗物质的第一个迹象，20世纪70年代后，星系与巨大的暗物质晕交织在一起并被其环绕的理论成为主流，当时天文学家意识到，鉴于星系中含有可见物质，星系的自转速度比其他情况下要快

暗物质粒子的范围包括被称为中微子的幽灵般的微小粒子、理论上被称为轴子的的暗冷粒子，以及提出的弱相互作用大质量粒子（WIMP）。卡尔米特说，根据特定暗物质模型的详述，新的质量边界有助于淘汰一些类似者。

量子引力

科学家们所知，暗物质只通过引力与光和正常物质相互作用，而不通过任何其他宇宙力；因此，研究人员利用引力理论得出了暗物质粒子质量的估计范围。

重要的是，他们使用了量子引力理论中的概念，得出了比仅使用爱因斯坦广义相对论要窄得多的范围。

“我们的想法非常简单，”卡尔米特在一封电子邮件中告诉生命科学网。“令人惊讶的是，人们以前从未想到这一点。

爱因斯坦的广义相对论是以经典物理学为基础的；它完美地预测了引力在大多数情况下是如何工作的，但在量子力学效应变得显著的极端情况下，比如在黑洞中心，它会崩溃。

另一方面，量子引力理论试图通过量子力学来解释引力，量子力学已经可以描述其他三种已知的基本力——电磁力、将大多数物质结合在一起的强力和导致放射性衰变的弱力。然而，迄今为止，没有一种量子引力理论有强有力的证据支持它们。

卡尔米特和佩尔斯使用广义相对论的值估计了暗物质粒子质量的下限，并根据量子引力理论预测的暗物质粒子的寿命测算了上限。卡尔米特说，广义相对论值的性质也定义了上界的性质，因此他们能够得出一个独立于任何特定量子引力模型的预测

他说，这项研究发现，虽然量子引力效应通常几乎是微不足道的，但当一个假设的暗物质粒子需要很长时间才能衰变，并且宇宙大约和现在一样古老（大约138亿年）时，量子引力效应就变得重要了。

他说，物理学家此前估计，暗物质粒子必须比“普朗克质量”（约1.2 x 10^19 GeV，至少是已知最大粒子的1000倍）轻，但要比10^-24 eV重，才能与已知含有暗物质的最小星系的观测结果相吻合。

但到目前为止，很少有研究尝试缩小这一范围，尽管在过去30年里，在量子引力知识领域取得了巨大进展，他说。“人们以前根本没有研究量子引力对暗物质的影响。”

未知力量

卡尔米特说，暗物质粒子质量的新界限也可以用来测试引力是否单独与暗物质相互作用，这是人们普遍认为的，或者暗物质是否受到未知自然力的影响。

他说：”如果我们发现一个质量超出论文讨论范围的暗物质粒子，我们就暗物质的发现，有了非常有力的证据……有一些超越引力的新力量作用在暗物质上。”。

BY:Tom Metcalfe

FY:jane

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