专家答疑

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什么是暗物质,它如何影响宇宙?

达特茅斯学院的宇宙学家罗伯特·考德威尔提供了以下解释

暗物质是针对一个尚未解决的现象——星系和星系团(受引力束缚的星系群)的引力质量测量值与发光质量(由发光物质贡献的质量)之间的不匹配——提出的一个可能的解决方案。这种差异表明宇宙中存在着不能有效发光的物质——因此,它是不可见的,或者说是“暗的”。


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我们可以通过测量恒星卫星的轨道速度和半径来确定恒星等天体的引力质量。为了找到星系的发光质量,我们使用已知的恒星质量、颜色和光度之间的关系,将观测到的来自星系的光的颜色和强度转换为其组成恒星的总质量。这种质光比表明,星系和星系团的引力质量远远超过发光质量。

因此,存在的物质比我们能看到的要多。其他指标,包括美国国家航空航天局最近对宇宙微波背景辐射的测量(它提供了早期宇宙的景象),为我们提供了进一步的信息:暗物质的质量是正常物质的 6 倍。

暗物质可能是什么?许多物理学家和天文学家怀疑它是一种他们尚未能够探测到的粒子。典型的暗物质候选者是类似于中微子的东西——一种类似于电子但质量小得多且不带电荷的粒子。然而,所有已知类型的中微子都太轻且太稀有,无法符合暗物质的理论描述。

暗物质如何影响宇宙?它一定是宇宙中最大结构:星系和星系团的基本组成部分。而且暗物质不仅仅解释了宇宙中遥远天体的行为;它也一定在我们银河系内大量存在。对银河系组成的估计预测,我们的太阳系浸泡在精细的暗物质海洋中,其密度高达每立方米约 105 个粒子。而且,随着地球绕太阳运行,当我们顺着或逆着这片黑暗海洋流动时,我们会经历黑暗的“季节”。

月球也会对地球大气产生潮汐效应吗?

—T. 迪根蒂,马萨诸塞州萨默维尔

科罗拉多大学博尔德分校的研究科学家拉希德·阿克马耶夫回复道

简短的回答是肯定的。在不同时期,这个问题曾困扰过像英国物理学家艾萨克·牛顿和法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯这样的著名科学家,后者描述海洋行为的理论在两个世纪前就预测了大气潮汐的存在。

首先,让我们考虑一下海洋潮汐是如何发生的。在海洋表面离月球最近的点,月球的引力最强,将海洋拉向它。在地球的另一侧,月球的引力最弱,这使得海洋再次向外凸出,在这种情况下是远离月球。

现在把大气层想象成一个海底是地球表面的海洋。拉普拉斯的理论预测,每个太阴日会有两个大气压最大值——高空大气物质量的峰值——与两个海洋隆起相对应。随着海洋膨胀,它上方的大气层也会膨胀。

令人惊讶的是,观测表明太阳引起的半日大气潮汐要强得多,尽管太阳的引力影响不到月球的一半。拉普拉斯认为,强烈的太阳潮汐主要是由太阳加热而不是太阳引力产生的——科学家最终在 20 世纪 60 年代证实了这一假设。

如需阅读来自不同领域科学家的这些答案和其他答案的完整文本,请访问www.sciam.com/askexpert

大众科学杂志第 295 卷第 5 期这篇文章最初以“专家答疑”为标题发表于大众科学杂志第 295 卷第 5 期(),第 108 页
doi:10.1038/scientificamerican1106-108
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