暗物質與宇宙重力
位於大熊座尾部的螺旋星系NGC 5585是眾多揭示了一種名為暗物質的隱形物質存在的星系之一。（圖片來源：歐空局/哈伯和美國太空總署，R.塔利；致謝：加甘迪普·阿南德）
科學家們終於弄清楚了暗物質的真正重量。暗物質是一種幾乎無法察覺的物質，據說可以牽引一切物質，但不會發光。
這一新的估計有助於確定它的粒子的重量——這對揭開它的神秘面紗有一定的意義。
這項研究大幅縮小了暗物質體子的潛在質素，從估計的10^-24電子伏特（eV）到10^19千兆電子伏特（GeV），縮小到10^-3電子伏特到10^7電子伏特——這可能是比以前小數萬億伏特到數萬億倍的質素範圍。
英國薩塞克斯大學物理學和天文學教授澤維爾·卡爾米特表示，這些發現可能有助於暗物質研究者將精力集中在所指示的粒子質素範圍上，或者將揭示宇宙中執行的一種未知的力量。
卡爾米特和同樣來自薩塞克斯大學的博士生福爾克特·佩爾斯，在一項新的研究中描述了他們的努力，該研究將發表在3月份的【物理快報】B版上。
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什麽是暗物質？
據估計，暗物質約占宇宙中所有物質的83%。它被認為只能透過重力與光和普通物質相互作用，這意味著它只能透過彎曲光線的方式被看到。
20世紀30年代，天文學家在觀察星系團時發現了暗物質的第一個跡象，20世紀70年代後，星系與巨大的暗物質暈交織在一起並被其環繞的理論成為主流，當時天文學家意識到，鑒於星系中含有可見物質，星系的自轉速度比其他情況下要快
暗物質體子的範圍包括被稱為微中子的幽靈般的微小粒子、理論上被稱為軸子的的暗冷粒子，以及提出的弱相互作用大質素粒子（WIMP）。卡爾米特說，根據特定暗物質模型的詳述，新的質素邊界有助於淘汰一些類似者。
量子重力
科學家們所知，暗物質只透過重力與光和正常物質相互作用，而不透過任何其他宇宙力；因此，研究人員利用重力理論得出了暗物質體子質素的估計範圍。
重要的是，他們使用了量子重力理論中的概念，得出了比僅使用愛因斯坦廣義相對論要窄得多的範圍。
「我們的想法非常簡單，」卡爾米特在一封電子郵件中告訴生命科學網。「令人驚訝的是，人們以前從未想到這一點。
愛因斯坦的廣義相對論是以經典物理學為基礎的；它完美地預測了重力在大多數情況下是如何工作的，但在量子力學效應變得顯著的極端情況下，比如在黑洞中心，它會崩潰。
另一方面，量子重力理論試圖透過量子力學來解釋重力，量子力學已經可以描述其他三種已知的基本力——電磁力、將大多數物質結合在一起的強力和導致放射性衰變的弱力。然而，迄今為止，沒有一種量子重力理論有強有力的證據支持它們。
卡爾米特和佩爾斯使用廣義相對論的值估計了暗物質體子質素的下限，並根據量子重力理論預測的暗物質體子的壽命測算了上限。卡爾米特說，廣義相對論值的性質也定義了上界的性質，因此他們能夠得出一個獨立於任何特定量子重力模型的預測
他說，這項研究發現，雖然量子重力效應通常幾乎是微不足道的，但當一個假設的暗物質體子需要很長時間才能衰變，並且宇宙大約和現在一樣古老（大約138億年）時，量子重力效應就變得重要了。
他說，物理學家此前估計，暗物質體子必須比「普朗克質素」（約1.2 x 10^19 GeV，至少是已知最大粒子的1000倍）輕，但要比10^-24 eV重，才能與已知含有暗物質的最小星系的觀測結果相吻合。
但到目前為止，很少有研究嘗試縮小這一範圍，盡管在過去30年裏，在量子重力知識領域取得了巨大進展，他說。「人們以前根本沒有研究量子重力對暗物質的影響。」
未知力量
卡爾米特說，暗物質體子質素的新界限也可以用來測試重力是否單獨與暗物質相互作用，這是人們普遍認為的，或者暗物質是否受到未知自然力的影響。
他說：」如果我們發現一個質素超出論文討論範圍的暗物質體子，我們就暗物質的發現，有了非常有力的證據……有一些超越重力的新力量作用在暗物質上。」。
BY:Tom Metcalfe
FY:jane
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