探索暗物質相互作用的新實驗

排版 | 徐徐

該示意圖顯示了在銀河系引力場中掉落的脈衝星的運動。 黃色箭頭表示由於正常物質的重力引起的運動，而白色箭頭表示由星系內和周圍的暗物質引起的運動

圖片來源：R. Hurt（SSC），JPL-Caltech，NASA

但是，這些實驗只能測試普通物質自由落體的普遍性，如地球本身的成分主要由鐵（32％），氧氣（30％），硅（15％）和鎂（14％ ）。然而，在大尺度上，普通物質似乎只是宇宙中物質和能量的一小部分。

據認為，暗物質占我們宇宙中物質約80％。但是直到今天，暗物質還沒有被直接觀察到。它的存在只能從各種天文觀測中間接推斷，如星系旋轉，星系團運動和引力透鏡。暗物質的實際性質是現代科學中最突出的問題之一。許多物理學家認為，暗物質由迄今未被發現的亞原子粒子組成。

由於暗物質的未知性質，另一個重要問題就出現了：引力是正常物質與暗物質之間唯一的長程相互作用嗎？換句話說，重要的只是感受由暗物質引起的時空曲率，還是有另一種力量將物質拉向暗物質，或者甚至將物質推開，從而降低正常物質與暗物質之間的整體吸引力。這意味著違反了對暗物質自由落體的普遍性。除了自然界中眾所周知的四種基本相互作用（引力，電磁與弱相互作用，強相互作用）之外，這種假想力有時被稱為「第五力」。

目前，有各種各樣的實驗為這種源於暗物質的第五力量設置了嚴格的限制。最嚴格的實驗之一是使用地球—月球軌道並測試朝向銀河中心的異常加速度，即銀河系球狀暗物質暈的中心。這個實驗的高精度來自月球激光測距，通過反射安裝在月球上的反射鏡的激光脈衝，以厘米精度測量到月球的距離。

直到今天，還沒有人對像中子星這樣的奇異物體進行關於第五力的測試。 中子星有兩個理由可以開闢全新的測試方法，用於檢測正常物質和暗物質之間的第五種力量，首先，一顆中子星由不能在實驗室中構建的物質組成，其密度比原子核多得多，幾乎全部由中子組成。而且，中子星內的巨大引力場比太陽強十億倍，原則上可以大大增強與暗物質的相互作用。

通過用射電望遠鏡測量脈衝星的無線電信號的到達時間，可以高精度地獲得脈衝星的軌道。對於一些脈衝星，可以實現精度高於100納秒，對應的精度優於30米的脈衝星軌道。

為了測試自由落體對暗物質的普遍性，研究小組確定了一個特別合適的雙星脈衝系統，命名為PSR J1713 + 0747，距離地球約3800光年。這是一個毫秒脈衝星，旋轉周期僅為4.6毫秒，是已知脈衝星群中最穩定的旋轉星之一。此外，它與一個白矮星運行在一個接近圓形的周期為68天的軌道上。

當測量廣義相對論時，脈衝星天文學家通常對具有快速軌道運動的緊密二元脈衝星感興趣，研究人員現在正在尋找一個在寬軌道上緩慢移動的毫秒脈衝星。軌道越寬，它對違反自由落體普遍性的反應越敏感。如果脈衝星與白矮星感覺到暗物質加速度不同，應該看到隨著時間推移雙星軌道的變形，即其偏心率的變化。

但是歐洲Pulsar Timing陣列和北美NANOGrav脈衝星定時項目的Effelsberg和其他射電望遠鏡超過20年的定期高精度定時精度高精度地顯示，軌道偏心率沒有變化，這意味著中子星對暗物質的吸引力與對其他形式標準物質的感受相同。為了使這些測試更好，科學家正忙著在大量預期的暗物質附近尋找合適的脈衝星，理想的地方是銀河系中心。

完

本文來源：

https://astronomynow.com/2018/06/17/new-experiment-to-probe-dark-matter-interactions/

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