主题：【原创】漫谈暗物质 -- afar77
家园 【原创】漫谈暗物质 先开个题目，占个坑
科探板块里，“未来25年科学界面临的125个重要课题”这个系列又被顶起来，里面第一个课题就是讲暗物质的。问题的综述不错，可惜讲得比较粗略，而且细节上颇有些可商讨之处。我最近在写一篇关于暗物质的论文，所以打算把中间一些科普性的东西慢慢写一点出来。题目很大，打字很慢，所以只能希望茶余饭后的时候能写上百来字，一两篇里能讲清楚一个小问题作为目标。
大概的计划么，从"为什么我们相信有暗物质"讲起，逐渐涉猎一些"暗物质是什么", "暗物质在哪里"，"怎样寻找暗物质"这些问题。讲暗物质不可避免要讲到一些暗能量啦超对称啦，这些东西我不是很熟悉，所以可能会讲得很简略，希望不要犯错误...
关键词(Tags): #暗物质(当生)， 元宝推荐：爱莲, 通宝推：当生,
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 好系列，顶起来慢慢读 可惜LZ已经不下河了
感谢：作者获得通宝一枚。参数变化，作者，声望:4；铢钱:20。你，乐善:4；铢钱:-32。本帖花:4
家园 【原创】 暗物质(4.1) 接着跑题讲超新星。
一般的超新星爆发，从暗到亮一般会有两三天的时间，然后再花两三个礼拜的时间逐渐暗下去。如果用时间作横轴，亮度作纵轴画一幅图，那将是下面这个样子：
外链图片需谨慎，可能会被源头改当然，一般的超新星是没有这么好看的光度图的。原因有两个。第一呢，一开始的高能爆发很少能够被观测到---能在爆发的时候正好有合适的望远镜正好对着正确的方向正好在采集数据，这事情还是很考验运气的。第二呢，天文学家大多数比较懒一点，不会去照那么多好看的照片---观测一次在图上点一个远点就好了么。于是，常见的光度曲线看起来大多是这个样子的：
外链图片需谨慎，可能会被源头改这张图上面画的是几十个比较近的1A型超新星的光度图，每个超新星的光度都用距离修正过---也就是说，假设咱们把这些超新星拉到一样远的某一个距离上，他们的亮度就是这么亮。
看起来已经很有些规律了不是？最高的光度大概差了一个星等不到一点点。每差5个星等，绝对亮度差100被，所以差一个星等的亮度差只有2.5倍。这个差别在天文上已经算是很小的差别了。所以1A型的超新星亮度都差不多。
这还不够好。再注意一下图上面，亮的比较短的超新星都比较暗，比较长的都会比较亮。为什么？不知道。不过不管它，总之是一个关系。用这个关系再修正一下亮度曲线，图就变成了这样子的：
外链图片需谨慎，可能会被源头改现在最高光度只差0.15个星等了。或者说，绝对亮度只差大概15%。
这个就很有用了。
在黑暗中，如果你看见远方有一点灯光，你是没有办法知道你到灯光的距离的。
可是如果你知道那盏灯光是一个100瓦的灯泡，那么，至少理论上，你就可以测量你们之间的距离---灯远的话看起来就会暗一些，近的话看起来就会亮一些。
这些1A型超新星就可以被当作100瓦的标准灯泡用。在遥远的没有办法测量距离的星系里，只要有一颗这样的超新星被观测到，我们就有办法知道这个星系的距离。
不过大概这个方法被发现的时候电灯还不普及，天文学家们把这些超新星们叫做---标准烛光。
家园 【原创】暗物质(4.0) 书接上回。
外链图片需谨慎，可能会被源头改这张图是一张超新星爆发的想象图。艺术家的作品。
实际上是不可能观测到这样的景象的，除了光线传播速度造成的一系列问题以外，如果有哪个艺术家真的凑到这么近去观测...那他在下一微妙就会被高能gamma射线气化，然后被被粒子流吹到几光年以外去...
真正的超新星的尊容，是这样的：
外链图片需谨慎，可能会被源头改再贴一张
外链图片需谨慎，可能会被源头改看起来很平淡无奇是不是？除了亮点...一颗超新星的亮度，有时候可以和一个小型的星系相差不多而已。
超新星也分很多种，其中呢，有一种叫做Ia型的超新星，就是我们的主角了。
这种超新星，在宇宙学中有一个名字，叫做"标准烛光"。
家园 呵呵，抢到沙发了 周末大井喷啊！
家园 【原创】暗物质(3.2) 接着讲暗物质。现在咱们已经知道一个星系团里头有多少暗物质了，那么，全宇宙里头呢？
最简单的办法，就是假设全宇宙里的物质都形成了星系团(这个差不多是正确的)，然后所有的星系团都差不多(这个么....)，那么把从某一个星系团测量出来的量放大到全宇宙，就差不多知道了。
要数宇宙中间有多少个星系团么？道也不用。有两个量可以帮我们计算。一个呢，还是光度/质量比。星系团的测量一下，宇宙的总光度弄起来比较麻烦，不过算算衰减遮挡啥的还是能从观测值算出来，除一下就有总质量了。另外一个是气体百分比，也就是一个星系团里气体占总质量的百分比---恒星里头那点点质量和气体质量比较起来只能算是个零头。然后宇宙中的气体总量可以从大爆炸理论里推出来，所以暗物质的总量也能算了。
公布暗物质总量以前，先讲点题外话。
其实暗物质总质量这个说法比较外行的，因为很长一段时间里天文学家对于宇宙到底有多大这个问题很没谱。所以说物质的多少一般都会讲物质的平均密度是多少。这个平均密度呢，又总是一个很小很小的量，每次都要说零点零零零零.....零几克每立方米也太麻烦了一点，所以就像说质量一般会用太阳质量一样，说密度也找个常用密度作标准好了。这个标准呢，找来找去，就找到闭合密度上了。
这个闭合密度呢，简单的说，就是宇宙中间需要多少物质才能让宇宙正好处在闭合和开放的边缘上。多一点物质呢，引力太强，宇宙膨胀到一定限度就会塌缩回来。少一点物质呢，引力太弱，宇宙会永远的膨胀下去。这个刚刚好的密度呢，可以用万有引力常数，哈博常数和光速很容易的算出来，是个常数，于是就被拿来作标准。讲宇宙中有多少东西一般都是讲它的密度是多少倍的闭合密度，或者说话简单一点的，就直接说它的密度是多少了。
宇宙中的总物质(包括暗物质和气体)呢，算出来的总量，一个方法给出0.24，一个方法给出0.36，只差了一半而已，不错不错。
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下面这张图呢，就是决定宇宙命运的经典：物质多一点则塌缩，少一点则发散，咱们正好处在中间....
外链图片需谨慎，可能会被源头改-------------------------------------------
预告一下先，下一节要开始讲宇宙中的一个大爆竹
外链图片需谨慎，可能会被源头改这个爆竹是啥呢？
这个爆竹跟暗物质又有啥关系呢？
且听下回书分解
元宝推荐：爱莲,家园 【原创】暗物质(3.1) 接着讲称星系团重量的问题。
先讲讲上世纪三十年代的做法。那时候还没有哈博这样高精度的望远镜，背景星系也许能看到但是要找图像的扭曲那是不可能的了。不过也还有办法。第一个呢，还是牛顿先生的老办法：万有引力定律。星系可以作旋转曲线，星系团乱糟糟的没有整体的运动可是还是有个边不是？找星系团边上的星系们，拉出来拍照测红移算速度，然后带进公式算离心力---于是一个粗略的星系团质量就估计出来了。不准，不过也不要紧，算出来的质量有气体质量的10倍去，所以只要不是错的太离谱那么暗物质总还是得有的。
再讲严谨一点点的做法。这个要用到一个定理叫做virial theorem, 中文好像叫做位力定理吧。简单的表述是：
一个热平衡的引力约束的系统，系统的总动能是总势能绝对值的一半。
有了这个就可以了。如果把星系们看作系统里的粒子，那么星系的动能好测，直接一个一个红移量过来就好了。然后就是带入公式---两边的恒星质量约掉---剩下来一个星系团总质量------都是已经作熟了的东西。
另外一个更精确一点的方法呢，还是用这个位力定理，只不过对象改成了星际气体。早一点咱们不是在讲说星际气体会发射X射线么？除了量X射线的强度，顺便把温度也测量一下。从微观上讲，这个温度不就是星际气体的动能么？那好了，有了动能，就有了势能，列方程，消去....讲了太多次了。
方法很多，秤出来，星系团的总质量大概在气体质量的7到10倍，这多出来的部分么，就是暗物质了。
家园 原来这里还有个坑，鲜花，再慢慢看。 鲜花已经成功送出。
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家园 【原创】暗物质(3) 从引力透镜讲回来，接着讲星系团。
星系团有多重？
先说一些容易测量的质量。
首先，恒星的质量。这个好算：一般来讲，恒星的光度和质量是有一定关系的，重的恒星一般来讲亮那么一点点。当然不是简单的正比关系，可是同一种类型的星系里不同恒星的比例总是差不多的，所以同一种星系的光度/质量比也差不了那么多。这就好办了。找个距离近的星系量一量光度测一测质量，那么遥远的星系只要看看光度就知道了。一般来说，一个星系团里所有恒星的质量加起来呢，差不多10^12到10^13个太阳的质量。
星际气体的质量也好算。恒星相对来说不会发射太多的X射线，一个星系团里的X射线大多数都是星际气体发射出来的。特定条件下气体发射x射线的强度在实验室里都能测量，拿出来和天上的气体比一比就好了。一般来讲，一个星系团里的气体质量呢，差不多一共是10^13到10^14个太阳的质量。
星系团的总质量呢？差不多是10^14到10^15个太阳质量。要测量这个质量呢，用引力透镜当然是一个办法(而且是这些年很流行的办法)。那么早些年引力透镜还没有被广泛应用的时候呢？
喝咖啡去先...
家园 给我回来！:{ ，有人给你送花啦。
