浩瀚宇宙的精靈

李　鑒

編輯柯妍

“江天一色無纖塵，皎皎空中孤月輪。江畔何人初見月，江月何年初照人?”唐代詩人張若虛的一首《春江花月夜》，即景生情，抒發(fā)了對宇宙的深沉疑問和對人事的深刻感悟，引起無數(shù)后人的共鳴。但是詩人卻不知道，當(dāng)他凝視明月時，除了耀眼的月光外，至少還有一種看不見的粒子也在從他身上飛過，盡管他毫無察覺。同樣，在您閱讀這本雜志時，這種微粒也在悄無聲息地向您迎面飛來，它徑直地穿過您的衣服、身體甚至整個地球，而幾乎不會留下半點蛛絲馬跡。這類遍布于宇宙中的神秘物質(zhì)，就是當(dāng)代天文學(xué)中的研究熱點：暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)(dark matter)是我們無法直接看到的物質(zhì)的總稱。宇宙中的黑洞、極暗淡的恒星等，我們也無法看到，但它們在暗物質(zhì)中所占的比例可以忽略不計，這里提到的暗物質(zhì)并不包括它們。暗物質(zhì)的性質(zhì)極為特殊，它們不吸收光，就好像透明的一樣，同時它們既不發(fā)光也不反射光，所以在我們看來，它們唯一的顏色就是純黑色。暗物質(zhì)粒子不帶電，與普通物質(zhì)幾乎不會發(fā)生(除引力作用外的)任何相互作用，就算它正與我們擦肩而過，我們也一無所知。更奇特的是，有些暗物質(zhì)的溫度高達(dá)1萬攝氏度左右，卻不會產(chǎn)生任何光、熱等輻射。它們唯一與普通物質(zhì)的相同之處是，暗物質(zhì)也遵循萬有引力定律，而且能與普通物質(zhì)和平共處，組成星系、星系團(tuán)等。所以，暗物質(zhì)雖然不發(fā)光，但是它們的引力會影響發(fā)光物質(zhì)的運動。通過探測發(fā)光物質(zhì)的運動就能間接推斷出暗物質(zhì)的分布情況，就好像看到水面上流動著的蓮燈就知道水流的方向一樣。

暗物質(zhì)的性質(zhì)是如此不同尋常，以至于人類從1933年第一次猜測到它的存在起，歷經(jīng)70多年的艱難搜尋，直到2006年8月，美國天文學(xué)家在觀測星系團(tuán)的碰撞時，才獲得了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)，這也是在暗物質(zhì)的概念提出73年之后，人類第一次直接探測到暗物質(zhì)存在的證據(jù)和計算出暗物質(zhì)的數(shù)密度及溫度，第一次直接目睹它的豐姿。

猶抱琵琶半遮面

小時候，在繁星滿天的夜晚，我們常常想：這么多星星，數(shù)也數(shù)不過來，該有多少啊?天文學(xué)家們也一樣，而且他們帶著這樣的疑問真就著手去數(shù)了。被譽(yù)為“近代天文學(xué)之父”的英國天文學(xué)家成廉·赫歇耳(公元1738～1822年，天王星的發(fā)現(xiàn)者)堪稱最偉大的數(shù)星者。從1784年起，赫歇耳開始利用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行恒星計數(shù)工作，在多達(dá)1083次的觀測中，總共數(shù)出了117600顆恒星(我們?nèi)庋勰芤姷降暮阈侵挥?000多顆)。他據(jù)此估計這個恒星王國的總星數(shù)也許有若干億，后來的天文學(xué)家在數(shù)星星的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)學(xué)、物理知識建立起了銀河系模型，然后又從銀河系外推到了河外星系、星系團(tuán)等大得超乎想象的龐然大物。現(xiàn)在人們知道，原來銀河系里包含大約4000億顆恒星，而宇宙中至少有1000億個像銀河系這樣的星系，所以宇宙中至少有40萬億億顆星星!相當(dāng)于在10的后面加上22個零，著實令人咋舌。(圖一)

然而隨著科學(xué)的發(fā)展，天文學(xué)家們愕然發(fā)現(xiàn)，就算把我們看到的、沒看到的所有這些星星都加起來，在宇宙總物質(zhì)中所占的比例竟然也不過4％左右!還有96％的宇宙物質(zhì)是我們無法直接看到的、不發(fā)光的物質(zhì)，這其中包括23％的暗物質(zhì)和73％的暗能量。原來充滿詩情畫意的夜空星座、千姿百態(tài)的地球萬象以及光澤萬物的明月朝陽，統(tǒng)統(tǒng)都是宇宙中的小配角!真正主導(dǎo)宇宙命運的竟是暗物質(zhì)與暗能量這兩大“黑暗帝國”。

最早提出暗物質(zhì)概念的是美籍瑞士天文學(xué)家茲維基(Fritz Zwicky)，1933年他在觀測后發(fā)座星系團(tuán)里成員星系的運動時，發(fā)現(xiàn)我們看得到的物質(zhì)(即發(fā)光的恒星、恒星以及星系間的介質(zhì)等)，根本不足以把星系團(tuán)吸引在一起，從而推斷星系團(tuán)里一定存在著我們沒有看到的物質(zhì)，而且它們至少要占到90％以上，所產(chǎn)生的引力束縛才能使星系團(tuán)里的星系沒有分散開來。不過當(dāng)時他的這一論斷并沒有引起重視。(圖二)

從1960年以后，不斷有關(guān)于暗物質(zhì)的證據(jù)被發(fā)現(xiàn)，而人類真正直接觀測到暗物質(zhì)則是在2006年。8月21日，一群美國天文學(xué)家在對子彈星系團(tuán)(Bullet Cluster)進(jìn)行長達(dá)幾個月的觀測后宣布“看”到了暗物質(zhì)。子彈星系團(tuán)是一種不同尋常的宇宙結(jié)構(gòu)，它實際上是兩個星系迎面相撞并彼此穿越而形成的。兩個星系團(tuán)以每小時近兩億千米的高速撞到一起，它們內(nèi)部包含的發(fā)光物質(zhì)由于相互間存在引力之外的相互作用力，在相互擠壓的過程中速度減慢了。但是兩星系團(tuán)中的暗物質(zhì)之間沒有這種作用力，它們并不減速，而是暢行無阻地直接穿過對方。結(jié)果暗物質(zhì)跑到了發(fā)光物質(zhì)的前面，于是每個星系團(tuán)就分成了兩部分：暗物質(zhì)在前，發(fā)光物質(zhì)在后。暗物質(zhì)與普通物質(zhì)分離后就易于捉摸了，天文學(xué)家們最終通過其他的物理效應(yīng)確認(rèn)了這兩團(tuán)暗物質(zhì)的存在。(圖三)

暗物質(zhì)終于在人們面前露出了冰山一角，也許這將成為這個王國現(xiàn)出原形的開端。

誰是宇宙的主宰

20世紀(jì)70年代，當(dāng)天文學(xué)家們埋頭研究星系和星系團(tuán)是怎么形成的時候，就發(fā)現(xiàn)如果宇宙中只有光子和普通物質(zhì)，那么星系的形成時間將比現(xiàn)在大大延遲，這將導(dǎo)致直到今天銀河系都還來不及形成，更別說我們的太陽系了!(我們知道的實際情況是，宇宙的年齡約為137億年，銀河系在宇宙誕生后數(shù)億年就形成了。)那么，究竟是什么促成了宇宙中天體結(jié)構(gòu)的快速形成呢?

宇宙在大尺度上是均勻的，只不過在“小”一些的尺度上存在著星系團(tuán)、星系、恒星等結(jié)構(gòu)，它們是原始星云在自身引力作用下收縮形成的。而均勻分布的物質(zhì)不會在自身引力作用下發(fā)生收縮，因此在宇宙的早期，物質(zhì)分布必然存在著微小的不均勻，而今天的星系、星系團(tuán)等結(jié)構(gòu)就是來源于這些不均勻的放大。然而正如前文所述，普通物質(zhì)的總量太少，它們產(chǎn)生的引力不足以使這些不均勻的起伏迅速擴(kuò)大并很快形成星系等結(jié)構(gòu)。只有暗物質(zhì)大量存在時，才能使得這些不均勻的“種籽”最終在它們強(qiáng)大引力的作用下迅速聚集成團(tuán)，并在較短的時間內(nèi)形成銀河系、太陽系乃至我們的地球家園。(圖四)

天文學(xué)家們已經(jīng)證實，現(xiàn)在的宇宙處于加速膨脹之中。對宇宙膨脹負(fù)主要責(zé)任的是暗能量(它產(chǎn)生類似斥力的效應(yīng))，而暗物質(zhì)和普通物質(zhì)一起，是制約宇宙膨脹的因素(它們產(chǎn)生的是引力)。如果暗能量占上風(fēng)，那么宇宙就會永遠(yuǎn)膨脹下去，如果暗物質(zhì)和普通物質(zhì)占上風(fēng)，總有一天宇宙會收縮成一點。有趣的是，宇宙學(xué)理論預(yù)言，目前宇宙中的物質(zhì)總密度非常接近于膨脹與收縮之間的臨界值。但我們所觀測到的普通物質(zhì)密度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個臨界值，兩者競相差了數(shù)十倍!這一差距就是靠暗物質(zhì)來彌補(bǔ)的。

何時揭開神秘的面紗

盡管關(guān)于暗物質(zhì)的研究已經(jīng)持續(xù)了30多年，而且近年來隨著科技進(jìn)步和觀測手段日新月異，研究取得了很大進(jìn)展，但暗物質(zhì)的最終面紗仍然遠(yuǎn)未揭開。我們推斷出了暗物質(zhì)的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了它的存在蹤跡，但它到底是什么?至今還是天文學(xué)上懸而未決的重大疑案。

天文學(xué)家通常把暗物質(zhì)分成兩類，即：熱暗物質(zhì)與冷暗物質(zhì)。熱暗物質(zhì)是由高速(相對論速度)的粒子組成，中微子就是典型代表；冷暗物質(zhì)則可能包括WIMPs(弱作用大質(zhì)量粒子)以及axion(軸子)等等奇妙的基本粒子。WIMPs中的中性子(neutralino)，是一種粒子物理學(xué)家根據(jù)理論模型提出的粒子。如果暗物質(zhì)是由中性子組成的，那么當(dāng)?shù)厍虼┻^太陽附近的暗物質(zhì)時，地下的探測器就能探測到這些粒子，不過目前人們還沒有探測到它。軸子(axion)是一種非常穩(wěn)定的微小粒子，質(zhì)量只有電子質(zhì)量的數(shù)百萬分之一。人們現(xiàn)在已經(jīng)建造了軸子探測器，探測工作也正在進(jìn)行。除此以外，科學(xué)家們還提出了許多暗物質(zhì)組成成分的候選體，我們就不一一介紹了。

在所提出來的各種暗物質(zhì)候選粒子中，目前只有中微子已被直接探測到，中性子和軸子還僅僅存在于理論推理中。中微子是熱暗物質(zhì)的代表，可是近幾年的觀測表明，雖然中微子數(shù)量巨大，但質(zhì)量太小，它們在暗物質(zhì)中所占的比例可能小得微不足道。大多數(shù)科學(xué)家相信，暗物質(zhì)是多品種的，絕不止一種。

由于暗物質(zhì)不會發(fā)出任何光線，因此目前所有的觀測手段都無法直接拍攝到它們的圖片。2007年1月7日，美英天文學(xué)家宣布，他們繪制完成了首張宇宙暗物質(zhì)的三維分布圖。根據(jù)他們繪制的圖，能判斷出暗物質(zhì)在宇宙中的位置和大小，甚至包括它們形成的具體時間。可以預(yù)見，這對于人類研究宇宙的起源以及未來演化，將具有極為重要的意義。(圖五)

相關(guān)資料

在目前人們已知的自然界四種基本力(強(qiáng)作用力、弱作用力、電磁力、引力)當(dāng)中，引力相對而言是最微弱的。強(qiáng)作用力與弱作用力的有效范圍都極小，在亞原子尺度上就已經(jīng)失效了。電磁力比引力強(qiáng)得多，例如，氫原子當(dāng)中的電子與質(zhì)子之間電力也有引力，但是電力的強(qiáng)度大約是引力的1040倍!雖然如此，由于電、磁都有兩極，可以產(chǎn)生吸引力，也可以產(chǎn)生排斥力，因此在大尺度下，常是互相抵消的。這么一來，在太空的廣大尺度之下，主宰幾乎一切事物運動的力就只有引力了，“小”到行星的繞日運動，大到星系的空間運動，無不都是受引力操控的。

(本文由北京市科學(xué)技術(shù)研究院北京天文館提供)