大家好，我是科学羊🐏！
当我们谈论宇宙时，有些事物其实是可以通过观察来确定。
比如，我们知道在宇宙的早期，它更加炽热、稠密而均匀；
我们还知道，随着时间流逝，恒星和星系不断成长、演化。引力的作用在宇宙中形成了大尺度结构，随着岁月的推移，这些结构变得愈发复杂。
在这一切中，有一个谜题始终难以解开：我们知道宇宙中存在的普通物质无法完全解释所观察到的引力效应，也就是说，普通物质并不足以支撑宇宙的结构和稳定性。
这引出了一个关键问题：如果不是普通物质，那是什么在主导着宇宙的“暗面”？
我们目前的主流理论认为，这可能是一种称为“暗物质”的神秘物质。
虽然我们还不完全清楚暗物质的本质，但它是目前解释宇宙中未知引力效应的最佳候选物质。
那么问题来了：如果不是暗物质，也许只是光，是否有可能？
物理学家们提出了一个有趣问题：如果光能够解释我们所观察到的额外引力，那么为什么光不能成为暗物质的候选物呢？这一假设并非毫无道理，因为我们知道在宇宙中确实存在一种过量的环境光。那么，我们如何理解这些多余的光？
01 来自宇宙深处的多余光
星光、银河和银河系的辉煌夜空是我们常见的景象，但这并非宇宙的全部。
新视野号（New Horizons）探测器在冥王星轨道之外为我们带来了一个令人惊讶的发现——在远离太阳系尘埃的遥远宇宙中，存在着一种超出我们预期的“背景光”。
这些多余的光线并非来自我们所知道的任何恒星或星系，而是来自一个全新的、未解决的“宇宙光学背景”。
研究团队仔细分析了这些多余光的来源，剔除了各种可能的光线干扰：仪器噪音、散射的阳光、来自离轴恒星的光、飞船自身的推进效应等。
然而，即便在剔除这些干扰后，依然存在着明显的光线过剩。最终，科学家得出结论，这些光的强度是预期值的两倍，也就是说，这里确实存在一种弥散、未解的“宇宙光学背景”。
02 过量的光能解释暗物质的现象吗？
然而，尽管这些多余的光线确实存在，光子却无法解释暗物质所带来的引力效应，原因主要有两点。
首先，这些光的总能量实在微乎其微——每平方米空间仅仅几十纳瓦的水平。尽管光可以在时空中弯曲，但它的能量形式是辐射而非质量块，而引力效应只有在物质具有非零静止质量时才会显著表现出来。
宇宙中所有光子的总能量密度仅占宇宙总能量密度的0.01%，与暗物质27%的能量需求相比微不足道。
因此，即便光的能量是当前的数倍甚至数百倍，它也无法满足解释暗物质的需求。
其次，光子本身没有静止质量。
根据相对论原理，光子之所以能以光速运动，正是因为它们的静止质量为零。如果光子拥有静止质量，那么它们的运动速度将不再是光速。这种假设违背了我们对光子的基本理解，甚至被多项天文观测证据所排除。
03 光子有静止质量的假设是否成立？
就在引力波和伽马射线信号到达几个小时后，光学望远镜就能够实时观测到爆炸发生地点的亮度变化。2017年的这次事件使我们能够对引力和电磁学的不同情景进行巨大的限制，特别是考虑到伽马射线的第一个光信号在引力波信号完成后仅仅1.7秒就到达了，穿越了大约130,000,000光年的距离。(图片来源: P.S. Cowperthwaite/E.Berger/DECAm/CTIO)
2017年发生了一次划时代的观测事件。8月17日，费米伽马射线暴（GRB）探测仪记录到了一组高能光子信号，与此同时，LIGO和室女座（Virgo）引力波探测器也检测到一个来自天空的引力波信号。
这一信号来自两个紧凑天体的合并事件，科学家推测这是两个中子星相撞后形成的引力波。令人惊讶的是，仅仅1.7秒之后，这些伽马射线光子到达了地球的观测器。
这两股信号在穿越了1.3亿光年的距离后几乎同时抵达，时间差仅为两秒钟。
考虑到宇宙的浩瀚，这一微小的时间差意味着，如果光子具有静止质量，这种差距会在更长的距离上显得更为明显。
换句话说，即便光子拥有微小的质量，它的大小也必须极其之小，才能与引力波并驾齐驱穿越宇宙。
事实上，光子的静止质量上限非常之小，远小于质子质量的十亿分之一。这样的微小质量几乎无法对宇宙中的引力效应产生显著影响，因此即便光子具有静止质量，它也不足以充当暗物质的替代品。
在宇宙中形成的暗物质结构(左)和由此产生的可见的星系结构(右)在一个寒冷、温暖和炎热的暗物质宇宙中自上而下地显示出来。根据观测，至少有98% 以上的暗物质必须是冷的或者是暖的，热的就被排除在外了。在不同尺度上对宇宙许多不同方面的观测都间接地指向暗物质的存在，但是直接探测实验还没有发现暗物质的粒子。(图片来源: ITP，苏黎世大学)
04 那么光子能否在星系范围内扮演暗物质的角色？
即便光子可能具有微小质量并在某些条件下被“困”在星系中，它们的表现也无法像暗物质那样主导星系的引力结构。
因为即便拥有静止质量，光子的总能量仍然远低于暗物质所需的总质量。这意味着光子无法产生足够的引力来稳定星系，也无法解释宇宙中大尺度结构的形成。
从观测数据来看，星系外围恒星的旋转速度与暗物质的存在密切相关。普通物质无法解释这种引力效应，而光子的微小质量不足以引起相应的引力作用。
既然光子无法解释暗物质，那么科学家们的目光转向了其他粒子，比如“轴子”——一种假设中的暗物质候选粒子。
轴子在一定条件下可以转化为光子，并且可能在宇宙早期形成时便具有冷暗物质的特性。
此外，还有一种被称为“暗光子”的粒子，它们具有质量，能够产生引力效应，或许可以作为暗物质的候选。
与光子不同，轴子和暗光子可能是宇宙大尺度结构形成的重要因素，它们或许在宇宙早期便以冷暗物质的形式存在并发挥作用。
尽管我们对暗物质的了解尚有限，但未来的实验或许能够揭开暗物质的面纱，甚至可能带来超越现有标准模型的突破。
结论
虽然光在宇宙中无处不在，但它并不足以解释暗物质现象。
即便光子具有微小质量，它也无法达到暗物质所需的能量密度。而真正的暗物质——无论是轴子、暗光子还是其他未知粒子——则是塑造宇宙大尺度结构的关键。
随着观测技术的进步，我们或许将更接近解开暗物质之谜，揭示宇宙最深处的奥秘。
好，今天就先这样啦～
科学羊🐏 2024/11/08
祝幸福~
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