暗能量一手“操控”宇宙

子剛

直到1998年，天文學家才發(fā)現(xiàn)，原來我們一直忽略了占整個宇宙將近3/4的成分，也就是暗能量。暗能量不僅驅(qū)趕著宇宙膨脹，星系形狀與星系間的距離也控制在它的手里。

宇宙的雕塑家

當天文學家探索暗能量時，他們發(fā)現(xiàn)暗能量除了決定宇宙整體的膨脹速率外，在較小的尺度上也具有長期的效應。當你把對宇宙的觀測范圍縮小時，第一個注意到的現(xiàn)象是，在宇宙尺度下，物質(zhì)的分布就像蜘蛛網(wǎng)一樣，是由數(shù)千萬光年長的細絲編織而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，中間穿插著一些大小相仿的網(wǎng)洞。電腦數(shù)據(jù)模擬顯示出，要想形成這樣的圖形，必須同時具備物質(zhì)與暗能量。

這可不是什么大不了的發(fā)現(xiàn)。這些細絲與網(wǎng)洞并不是行星那種有著緊密結(jié)構(gòu)的物體，它們尚未從宇宙整體的膨脹中分離出來，其內(nèi)部也還沒達到力的平衡。因此，它們的樣貌取決于宇宙膨脹（以及一切會影響膨脹的現(xiàn)象）和其本身重力的競爭。在宇宙中，沒有任何一方能夠完全主宰這場拔河比賽：如果暗能量稍強一些，膨脹將會獲得勝利，使得物質(zhì)擴張而無法凝聚成細絲狀結(jié)構(gòu)；假如暗能量稍弱一點，物質(zhì)將會進一步凝聚在一起。

當你繼續(xù)把范圍縮小到星系團與星系的尺度時，情況會變得更復雜。包括我們銀河系在內(nèi)的所有星系，并不會隨著時間而膨脹，它們的大小取決于恒星、氣體和其他組成物質(zhì)的角動量與重力間的平衡；只有從星系際空間吸積新物質(zhì)，或與其他星系合并時才會成長。宇宙膨脹對于星系成長的影響微乎其微，因此，暗能量對于星系的形成，效應并不是那么明確。

同樣的道理也適用于星系團。星系團是數(shù)千個星系的集合，因重力而束縛在一起，藏身于龐大的熱氣體云內(nèi)，是宇宙里最大的聚合體。就在不久之前，許多有關星系與星系團形成的觀點還看似和暗能量毫不相干，但現(xiàn)在看來，暗能量可能是聯(lián)結(jié)這些不同觀點的關鍵。因為這些系統(tǒng)的形成與演化有部分源自星系間的交互作用與合并，而這很可能正是由暗能量所主導。

要了解暗能量如何影響星系的形成，得先知道天文學家認為星系是如何形成的。目前的理論所依據(jù)的觀念是物質(zhì)有兩種基本形態(tài)：第一種是普通物質(zhì)，這種物質(zhì)的粒子可以輕易地互相作用，假如帶電的話，還會與電磁輻射作用，由于它們主要是由質(zhì)子與中子這樣的重子所組成，天文學家便稱它們?yōu)椤爸刈游镔|(zhì)”；第二種是暗物質(zhì)（與暗能量截然不同），占了所有物質(zhì)總量的85%，特色是其組成粒子不會與輻射作用。但就重力的觀點而言，暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的特性完全相同。

為何星系漸漸不再形成？

詳細的研究指出，星系在與其他星系合并時會發(fā)生形狀扭曲的現(xiàn)象。我們能看到的最早星系，大約在宇宙年齡10億歲時就已存在，其中有許多星系的確正在合并，但是，隨著時間的演進，大型星系合并的事件就不再盛行了。在大爆炸后20億～60億年間（也就是宇宙歷史的前半段），大型星系的合并率從50%驟降到接近零。從那時起，星系外形的分布比例就固定下來了，可見星系的互撞與合并已經(jīng)相當罕見。

事實上，今日宇宙中98%的大型星系，不是橢圓形就是螺旋形。它們的外形在發(fā)生合并的時候會崩解變化。這些星系很穩(wěn)定，大多由年老的恒星組成。這告訴我們，它們必定很早就已形成，而且保持規(guī)則的形狀已經(jīng)有很長一段時間了。有少數(shù)星系至今仍在合并中，但通常是質(zhì)量較小的星系。

另一件怪事是，常見于星系中央的超大質(zhì)量黑洞，其成長似乎已大幅減緩。這樣的黑洞是類星體和活躍星系的能量來源，在現(xiàn)代宇宙里的數(shù)量非常少（我們星系和其他星系里的黑洞則是不活躍的）。這些關于星系的演化趨勢是否相關？暗能量是否真是這一切現(xiàn)象的根源？

站上主宰的位子

有些天文學家認為，星系內(nèi)部的某些過程，例如黑洞及超新星的釋放能量，是星系與恒星停止形成的原因。但現(xiàn)在暗能量浮上了臺面，它似乎是聯(lián)結(jié)這所有事情的更基本原因，主要的證據(jù)是大部分星系與星系團停止形成的時間點，與暗能量開始主宰宇宙的時期大致相符，二者都發(fā)生在宇宙是現(xiàn)在年齡的一半之時。

概念是這樣的：在宇宙歷史上的那個時期，物質(zhì)的密度很高，因此星系間的重力作用足以超越暗能量造成的效應，星系比肩接踵，相互作用而且經(jīng)常合并。當星系內(nèi)的氣體云互相碰撞時，新恒星便誕生了；若氣體被卷入這些系統(tǒng)中央。黑洞就會成長。隨著時間的演進，空間膨脹，物質(zhì)逐漸稀薄，重力因而減弱，但暗能量的強度卻維持不變（或幾乎不變），二者間難以維持穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，最終造成膨脹從減速轉(zhuǎn)為加速，于是，星系所在的結(jié)構(gòu)被扯開，導致星系的合并比例逐漸降低，星系際氣體也變得較難墜入星系中。喪失了“糧食”，黑洞當然變得平靜許多。

暗能量也能解釋星系團的演化。在宇宙還只有不到現(xiàn)有年齡一半以前，當時就已存在的古老星系團，其總質(zhì)量與今日的星系團相當。也就是說，在過去的60億～80億年間，星系團的質(zhì)量實際上并未增加。這個停滯的現(xiàn)象暗示了宇宙在現(xiàn)有年齡的一半時，星系便不再凝聚成團了，這是暗能量在大尺度上影響星系交互作用的直接證據(jù)。天文學家早在20世紀90年代中葉就已經(jīng)知道，在過去的80億年里星系團成長不多，他們將這些現(xiàn)象歸咎于宇宙的物質(zhì)密度比理論估計的低許多，而暗能量解決了觀測和理論間的矛盾。

牽一發(fā)而動全身

由暗能量主導宇宙的加速，是個合理的解答，它可以解釋星系族群里產(chǎn)生的所有已觀測到的變化，也就是星系合并的中斷和伴隨而來的必然后果，例如喪失形成恒星的活力，并終結(jié)星系形態(tài)的變換。假如沒有暗能量，星系合并的活動可能會持續(xù)得更久些，那么今天的宇宙里將存在著更多由古老恒星所組成的大型星系。同樣，宇宙中低質(zhì)量系統(tǒng)的數(shù)目會更少，而像銀河系這樣的螺旋星系數(shù)量將會稀少許多（假設螺旋星系無法在合并過程中保存下來）。星系的大尺度結(jié)構(gòu)可能會束縛得更為緊密，而且會發(fā)生次數(shù)更多的結(jié)構(gòu)合并與吸積。

相反，如果暗能量的強度比現(xiàn)在更大，宇宙中的星系合并事件會減少，使大型星系與星系團的數(shù)量更少。由于在時間的長河里，星系間較少發(fā)生合并，星系團的質(zhì)量將不會那么高，甚至不會有星系團存在，因此螺旋星系與低質(zhì)量的不規(guī)則狀矮星系會變得更普遍。同時，恒星的形成數(shù)量可能比較少，使得宇宙里處于氣體狀態(tài)的重子質(zhì)量比例較高。

雖然這些過程似乎離我們相當遙遠，但星系的形成方式其實也影響我們的存在。只有恒星才能制造出比鋰重的元素，而那些重元素則是建構(gòu)類地行星與生命的必需材料。假如恒星形成率太低，就無法制造出夠豐富的這類元素，那么宇宙將不會有這么多行星，可能也就不會演化出生命。因此，暗能量可能對宇宙里許多不同且看似毫不相干的事物有著深遠的效應，甚至影響了地球的歷史細節(jié)。

暗能量當然尚未完成它的工作。它看來似乎對生命有益：宇宙加速將可以避免天文學家不久之前還在擔憂的事情——宇宙最終會崩塌。但暗能量也帶來其他的風險，至少，它驅(qū)趕遙遠的星系，使它們后退得太快而永遠消失在我們的眼前，我們的星系和鄰居的周遭逐漸清空，把我們遺留在日益孤寂的島上；星系團、星系甚至飄浮于星系際空間的恒星，終將遭禁錮于極有限的球狀區(qū)域，其重力可及的范圍將不超過它們本身的大小。

更糟的情況是，暗能量可能還在繼續(xù)演化。有些模型預測，如果暗能量隨著時間而成為永遠牽制一切的力量，它將會撕裂像星系團和星系這樣的重力束縛系統(tǒng)，最后，地球也會被扯離太陽，地球上的萬事萬物都將一起被撕成碎片，甚至連原子也難逃毒手。曾一度躲在物質(zhì)背后的暗能量，終將執(zhí)行其最后的復仇。

（張小寧 插圖）