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暗物質就在你身邊

2009/02/01 蔡宙(Charles Q. Choi)
神秘的暗物質其實正包圍著地球嗎?

重點提要

神秘的暗物質其實正包圍著地球嗎?
比起宇宙中的一般物質,暗物質所佔的比率足足多了四倍,但是它的身世依舊成謎,因為它不可見,而且可以穿透一般物質。天文學家僅可從暗物質展現出的重力發現它的存在,尤其是它會一直讓星系自旋免於分崩離析。不過,與其觀察遠處的星系來研究暗物質,天文學家更希望能在家裡就近觀察它。

美國普林斯頓高等研究院的理論物理學家艾德勒(Stephen Adler)一直認為,應該針對地球和月亮做研究。他解釋說,如果地球和月球的總質量大於它們個別的質量的總合,那麼這兩個數字的差異,就可以歸因於地球和月亮之間的暗物質了。

艾德勒這個結論部份來自於一項研究。該研究分別以繞月和繞地的「雷射地球動力衛星」(LAGEOS)來測量月球和地球的質量,這種會反射雷射光的球體衛星已經在軌道上運行了很多年。從衛星反射回來的雷射,會透露出各個衛星軌道的運行半徑以及繞行一週所需的時間。科學家可以從測量的數據計算出衛星受到多少重力的拉扯,進而推估暗物質的質量。

接下來,艾德勒藉由阿波羅任務在月球上放置的鏡子所反射的雷射,對測量地月距離的研究進行檢視。要是地球對38萬4000公里外的月球所施加的拉力異常增強,甚至超過了對1萬2300公里之外的LAGEOS衛星所施加的拉力,那麼這些增加的拉力就是來自於月球和人造衛星之間的暗物質。艾德勒在2008年10月17日的《物理期刊A》中,根據現有的資料估算出,地球和月球之間的暗物質最多可高達24兆公噸。這些暗物質或許可以解釋先鋒號、伽利略號、卡西尼號、羅塞塔號以及近地小行星會合號任務太空船在軌道上的一些異常現象。

艾德勒也推測出,暗物質可以對太陽系內的四個氣態巨行星(木星、土星、天王星、海王星)產生很大的影響。如果這些重量級的行星藉由重力捕集了暗物質,那麼暗物質粒子就有可能撞上這些行星。即使這些撞擊事件不多,但也足以讓巨行星溫度攀升,如此便能說明行星內部(甚至包括地球)的溫度何以會比現有機制能解釋的溫度還高。此外,這也能說明天王星的溫度何以低得反常。天王星古怪地傾斜,或許是因為曾遭受重大撞擊。艾德勒猜測,這個撞擊可能曾將暗物質撞開,使得天王星沒有受到暗物質加溫。

行星受到暗物質加熱的可能性,或許也是探索物質未知特性的線索。美國波特蘭大學的理論天文物理學家席格爾(Ethan Siegel)表示,可以藉此了解暗物質撞擊到一般物質的頻率有多高,或者暗物質是聚集在恆星和行星周圍,還是平均散佈在整個星系。例如,要是暗物質粒子如某些研究人員所提出的理論,是物質的反粒子,那麼當它們彼此撞擊而毀滅時,釋放出的能量對行星的加熱作用,便會遠超出行星受到一般原子撞擊所產生的熱。這樣的理論意味著,暗物質在太陽系中無法大量累積,否則太陽系會比現在更熱。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2009年第84期2月號】


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