“暗物質(zhì)”和“暗能量”
——決定大宇宙結(jié)構(gòu)和宇宙最終命運(yùn)的兩個(gè)科學(xué)名詞

李 競

(中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，北京 100012)

“物質(zhì)”和“能量”是兩個(gè)普通而常見的科技名詞，也是最上位的科技名詞。如果它們各自加上一個(gè)普通定語“暗”，組成新的復(fù)合詞——“暗物質(zhì)”和“暗能量”，前者令物理學(xué)家?guī)缀跻粺o所知，后者榮獲了2012年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

這兩個(gè)物理名詞涉及的對象，都是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)、確認(rèn)并命名，現(xiàn)在算是天文學(xué)名詞。

一 先說“暗物質(zhì)”

這個(gè)名詞出現(xiàn)于1932—1933年，如今已有80載，已不是個(gè)新名詞。早在20世紀(jì)30年代初，天文學(xué)已確知，星系、星系群和星系團(tuán)均是銀河系之外的“河外天體”和“河外天體系統(tǒng)”。為了判明，由為數(shù)不多星系組成的星系群，以及擁有眾多成員星系構(gòu)成的星系團(tuán)究竟是成員固定和整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的天體系統(tǒng)，還是既不穩(wěn)定、也不固定、成員最終四散、各自東西、“群”和“團(tuán)”解體的短暫組成，可根據(jù)“群”和“團(tuán)”的成員星系和觀測者之間的近似相同的距離，以及它們彼此一致的退行速度(即譜線紅移)，不太繁難地就能確認(rèn)，星系群和星系團(tuán)既不是投影的視覺效應(yīng)，也不是短暫的組成，而都是穩(wěn)定的天體系統(tǒng)。

瑞士旅美天文學(xué)家茲威基(F．Zwicky)還更進(jìn)一步深入探討“群”和“團(tuán)”的穩(wěn)定性。他從一個(gè)擁有5個(gè)成員星系的星系群入手，估算各個(gè)成員的質(zhì)量，以及測定它們在“群”內(nèi)各自的空間運(yùn)動(dòng)速度。茲威基首先一一測定5個(gè)星系的亮度，并根據(jù)已知的星系群距離求出它們各自的光度。再運(yùn)用在恒星物理方法中已熟知的“質(zhì)光關(guān)系”，即恒星光度和恒星質(zhì)量之間的對應(yīng)關(guān)系，測定出各個(gè)星系的質(zhì)量，然后總和5個(gè)天體的質(zhì)量，這就求出這個(gè)星系群的整體質(zhì)量。按此方法求出的星系群質(zhì)量稱為“光度質(zhì)量”。茲威基發(fā)現(xiàn)，如此求出的星系質(zhì)量所產(chǎn)生的引力不足以控制星系各自的空間運(yùn)動(dòng)，各星系必將各自東西，四散解體。這與星系群是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的結(jié)論不符。茲威基又在認(rèn)為星系群為一穩(wěn)定組織的前提下，根據(jù)5個(gè)成員星系的空間運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，估算該“群”的質(zhì)量，稱之為“力學(xué)質(zhì)量”。結(jié)果出乎意料地發(fā)現(xiàn)“力學(xué)質(zhì)量”是“光度質(zhì)量”的百倍。隨后又陸續(xù)考察了后發(fā)星系團(tuán)和其他幾個(gè)星系群，結(jié)論同樣:“光度質(zhì)量”僅及“力學(xué)質(zhì)量”的1/100～1/400。天文學(xué)界將這一出乎意料的發(fā)現(xiàn)稱為“短缺質(zhì)量問題”。隨后更發(fā)現(xiàn)，不僅在光學(xué)波段，在其他波段，例如射電、紫外，也都觀測不到任何足夠份額的“短缺質(zhì)量”，遂將理應(yīng)存在，卻又觀測不到的天體稱為“暗物質(zhì)”。

20世紀(jì)50年代，射電天文興起，通過觀測銀河系中的氫分布和運(yùn)動(dòng)，估算銀河系的質(zhì)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，根據(jù)銀河系自轉(zhuǎn)求出的“力學(xué)質(zhì)量”比依據(jù)恒星天文測定的銀河系“光度質(zhì)量”多出幾十倍、上百倍。在銀河系中也出現(xiàn)了“短缺質(zhì)量問題”。

80年代，美國女天文學(xué)家魯賓(V．Rubin)運(yùn)用分光方法，系統(tǒng)地研究旋渦星系的自轉(zhuǎn)，并從而求出星系質(zhì)量。她的令人信服的結(jié)論是:所有的旋渦星系都存在“短缺質(zhì)量”，其依據(jù)發(fā)光天體(所有的恒星和星際物質(zhì)的總和)測定的“光度質(zhì)量”不僅只及“力學(xué)質(zhì)量”的1/100，甚至更少?！鞍滴镔|(zhì)”再度引人關(guān)注，但真象依然不明。被推上候選名錄的有:中微子、黑洞、瀕死的和已亡的恒星(黑矮星、白矮星)、星際物質(zhì)、行星。但所有這些已知“暗天體”的預(yù)期還是填補(bǔ)不上“短缺物質(zhì)”的大缺口。

90年代，通過遙遠(yuǎn)類星體在前景大質(zhì)量集團(tuán)(主要是星系團(tuán))的“引力透鏡效應(yīng)”作用下，形成的“愛因斯坦弧”或“愛因斯坦環(huán)”的深空觀測資料。得“見”充斥和籠罩星系團(tuán)、呈形態(tài)不規(guī)則的“暈狀”或“云態(tài)”的“暗物質(zhì)”身影。

天文學(xué)家遂宣稱已擁有鐵證，表明宇宙中存在“暗物質(zhì)”。并估算出，在宇宙物質(zhì)中，由原子構(gòu)成的各種已知天體和“暗物質(zhì)”，約分別各占15% 和85%。專門研究天體的天文學(xué)家竟不知占大頭的天體究竟為何物，遂誠心誠意向物理學(xué)家求教，期望能查明，構(gòu)成這些在宇宙物質(zhì)中約占4/5的看不見天體組成中，究竟都是哪些基本粒子?

根據(jù)“暗物質(zhì)”存在的天文鐵證，尤其是近年獲得的新觀測資料，構(gòu)成“暗物質(zhì)”的基本粒子，至少要同時(shí)具備下列3個(gè)屬性:

1．質(zhì)量較重。否則它們構(gòu)成的物質(zhì)無法填補(bǔ)上“短缺質(zhì)量”的巨大缺口。應(yīng)該指出，之前曾一度被推舉為熱門候選體的“中微子”就不再合格。

2．中性，并幾乎不與任何其他物質(zhì)(天體)發(fā)生作用和反應(yīng)，亦即對任何天體，對它似乎都是透明的。因此，另外一些前任的候選天體，諸如黑洞、白矮星、行星，都將被排除在外。

3．初始運(yùn)動(dòng)速度即使不為0，也必須很小。不然，不可能集聚成“暈狀”或“云態(tài)”。例如，接近光速的中微子就不可能形成“中微子云”。

迄今，物理學(xué)家聲稱，在已知的基本粒子族群中，還沒有哪一種能夠構(gòu)成觀測到的“暗物質(zhì)”?？梢哉f，現(xiàn)代物理學(xué)對天文學(xué)家確信存在的“暗物質(zhì)”幾乎一無所知。如今科學(xué)界一致認(rèn)為，揭示“暗物質(zhì)”的真象是對現(xiàn)代科學(xué)的一大挑戰(zhàn)。

順便指出，“暗物質(zhì)”不是一個(gè)天文學(xué)新名詞，在全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)1978年公布的《天文學(xué)名詞》中，已經(jīng)入載。在1998年問世的第二版《天文學(xué)名詞》中，還加了注釋。在籌劃中的第三版《天文學(xué)名詞》中，“暗物質(zhì)”詞條也正在修訂。

二 再談“暗能量”

直到20世紀(jì)20年代末，科學(xué)界和公眾對宇宙一致認(rèn)可的是“無邊無際、無限遼闊、無論在時(shí)間上還是空間上全都是無始無終、永恒的和寧靜的”。1929年，美國天文學(xué)家哈勃(E．Hubble)借助當(dāng)時(shí)威力最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡所取得的遙遠(yuǎn)星系的觀測資料，發(fā)現(xiàn)銀河系之外的所有的、和銀河系相似或同類的星系，全都各自相互高速地飛散和飛離而去。更發(fā)現(xiàn)另一個(gè)現(xiàn)象，即星系彼此之間的距離越遠(yuǎn)，四向離散的運(yùn)動(dòng)速度越大。哈勃的這一發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過核實(shí)、確認(rèn)和認(rèn)可后，天文學(xué)家們認(rèn)為，哈勃發(fā)現(xiàn)的規(guī)律的最佳解釋是宇宙的時(shí)空整體在膨脹，遂稱之為“哈勃定律”。根據(jù)測定出的膨脹速率，可以推算出什么時(shí)光、何時(shí)歲月是膨脹的起點(diǎn)，這就是宇宙自膨脹開始以來的年齡。膨脹以來所達(dá)到的距離，所覆蓋的領(lǐng)域，正是宇宙今日的大小。有了年齡，又有了大小，宇宙當(dāng)然在時(shí)間上和空間上都是有限的。這樣就出現(xiàn)了全新的“有起源、有演化、有年齡、有大小、時(shí)空正在膨脹的動(dòng)態(tài)宇宙”。由于“膨脹的宇宙”在理論上和依據(jù)的觀測資料均獲得支持和驗(yàn)證，完全改變了人們對宇宙觀感，哈勃宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)遂被尊為20世紀(jì)最偉大的天文學(xué)成就。

哈勃發(fā)現(xiàn)的星系四向退行的規(guī)律，即所謂的“哈勃定律”，被建立、證實(shí)、確認(rèn)和公認(rèn)之后，哈勃本人、他的科研小組、團(tuán)隊(duì)以及后來人，在隨后的七八十年間，持續(xù)地開展后續(xù)探索，其中有兩項(xiàng)課題，一直不曾間斷。其一是精測、修訂和改善宇宙膨脹的速率數(shù)值，因?yàn)樗苯雨P(guān)乎據(jù)此推算出的宇宙年齡和宇宙大小的精準(zhǔn)。2012年借助哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的探測取得的膨脹率是74．3 ±2．1千米 /秒 /300百萬光年。由此求出:宇宙誕生以來的年齡為137．5±1．1億年;可觀測宇宙的大小約為137億光年。

另一則是探究和查明宇宙膨脹速率是否恒定不變，持續(xù)膨脹，還是這一源于大爆炸的膨脹斥力有朝一日將不敵宇宙物質(zhì)的引力，最終終止膨脹，讓位于引力，變?yōu)橛钪媸湛s。這可是關(guān)乎宇宙未來走向何方，決定宇宙命運(yùn)的大課題。天文學(xué)家的探索辦法是觀測盡可能遙遠(yuǎn)的星系，測定距離，將之和根據(jù)星系光譜的譜線紅移資料、按哈勃定律所顯示的距離相互對比，如果二者一致，表示哈勃定律所反映的距離真實(shí)正確;反之，則指出，膨脹速率發(fā)生了變化，已不再有效地顯示星系的真實(shí)距離。為了距離測定的精準(zhǔn)，必須掌握精確可靠的“量天尺”。天文學(xué)通常是將某種光度恒定或已了解其光度變化規(guī)律的天體作為“標(biāo)準(zhǔn)光源”，例如，造父變星。然而，深空星系的距離太大，超過60～70億光年，既便運(yùn)用現(xiàn)有的威力最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，星系中的造父變星也暗弱得無法觀測。因此，要有光度不僅恒定、已知，而且強(qiáng)大的“標(biāo)準(zhǔn)光源”。20世紀(jì)90年代，一個(gè)由美國天文學(xué)家珀?duì)栺R特(S．Perlmutter)和里斯(A．Riess)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，另一個(gè)以澳大利亞天文學(xué)家施密特(B．Schmidt)為首的科研小組，不約而同地開展了此項(xiàng)探索。全都采用Ⅰa型超新星作為“標(biāo)準(zhǔn)光源”①。課題稱為“深空超新星巡天”，科學(xué)目標(biāo)是考察膨脹速率在深空是否恒定不變。在當(dāng)時(shí)，主流的觀點(diǎn)是:斥力性質(zhì)的宇宙膨脹力因受宇宙物質(zhì)引力的影響，最終會(huì)減弱而減速。當(dāng)取得最初幾個(gè)深空Ⅰa型超新星的測光資料后，發(fā)現(xiàn)其亮度比在哈勃定律預(yù)期距離上，應(yīng)顯現(xiàn)的亮度暗弱，也就是說這個(gè)光度已知的“標(biāo)準(zhǔn)光源”實(shí)際處在更遠(yuǎn)的距離上。如果觀測資料無誤，數(shù)據(jù)處理得當(dāng)，就意味著膨脹速率不是放慢，而是提速。這個(gè)結(jié)果與預(yù)期的正好相反。這兩個(gè)科研團(tuán)隊(duì)都沒有急于公布這個(gè)初步但是意料之外的發(fā)現(xiàn)，而是反復(fù)檢查和核對科研的各個(gè)環(huán)節(jié)，并繼續(xù)巡天，獲取更多的超新星測光資料。幾年后，更多更新的數(shù)據(jù)不僅表明，在距離70～80億光年以及更遠(yuǎn)的深空，不僅膨脹提速，而且距離越遠(yuǎn)，提速的程度越大。這乃是宇宙膨脹正在加速。1998年，這兩個(gè)課題團(tuán)隊(duì)公布了他們的驚人發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)界一致認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了前所不知也未曾預(yù)期、疊加在宇宙大爆炸誕生的膨脹運(yùn)動(dòng)之上的、斥力性質(zhì)的能量，取名“暗能量”。它成為世紀(jì)之交的最重大的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)和科學(xué)成就。深空超新星巡天的資料指出，“暗能量”的威力在70億光年以遠(yuǎn)的深空開始顯現(xiàn)。按照現(xiàn)有的共識(shí)，宇宙大爆炸源于137億年之前。也就是說，宇宙誕生之后約70億年，宇宙的行為開始從“膨脹”轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹铀倥蛎洝薄Ｈ绻沾四Ｊ郊铀倥蛎?，那么不?000億年，宇宙物質(zhì)密度將小到接近“無”，宇宙必將暗淡無光。這真是宇宙命運(yùn)的未來嗎!

根據(jù)已測定的“暗能量”，推算出包括已知天體和“暗物質(zhì)”在內(nèi)的宇宙物質(zhì)和“暗能量”三者分別在宇宙總物質(zhì)密度中，各占的份額:

普通物質(zhì)(由原子組成的所有已知的發(fā)光和不發(fā)光的天體) 4．6% ±0．15%

暗物質(zhì) 23．3% ±1．0%

暗能量 72．1% ±1．5%

這是一幅令人驚異、出乎想象的宇宙圖像，它表明，迄今天文學(xué)已知的和探索所及的天體僅占宇宙全部的不足5%。超過95% 的份額均有待科學(xué)探究②。

鑒于“暗能量”事關(guān)重大，2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予“深空超新星巡天”課題的3位首席天文學(xué)家。如今人們對“暗能量”還知之很少，對其本原和內(nèi)涵了解不多?！鞍的芰俊闭诔蔀槲锢?、天文以及宇宙學(xué)的熱門話題和攻關(guān)研究對象。

注釋

①“標(biāo)準(zhǔn)光源”——超新星

超新星是罕見的天象，它的出現(xiàn)是恒星世界最大、最亮、最激烈的爆發(fā)事件。當(dāng)超新星爆發(fā)時(shí)，亮度能夠超過整個(gè)星系。所以，超新星是天文學(xué)在光學(xué)波段所能觀測到的距離最遠(yuǎn)的單個(gè)天體。超新星爆發(fā)之前的天體有兩類。一類是質(zhì)量超過10～20個(gè)太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星;另一類是密近雙星中的白矮星?，F(xiàn)在涉及的是后者。

密近雙星指的是不僅彼此引力聯(lián)系，還有相互物質(zhì)交流的雙星系統(tǒng)。如果系統(tǒng)中的一個(gè)成員是白矮星，另一成員是其他類型的恒星，當(dāng)演化的進(jìn)程達(dá)到恒星的物質(zhì)流向白矮星的階段，若白矮星的質(zhì)量因此一經(jīng)超過某一定量，就會(huì)結(jié)構(gòu)失衡，整體爆炸，成為超新星。天文學(xué)將這樣的爆發(fā)事件稱為“Ⅰa型超新星”。

白矮星是一種致密天體，它是質(zhì)量和太陽相仿的普通恒星在生命歷程的終端，因內(nèi)部核心的核聚變反應(yīng)息止，失去結(jié)構(gòu)支承，坍縮而演變成的天體。20世紀(jì)30年代初，印度青年錢德拉塞卡(S．Chandrasekhar)在英國進(jìn)修期間，根據(jù)恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)理論，求證指出，當(dāng)致密的白矮星質(zhì)量達(dá)到并超過1．44個(gè)太陽質(zhì)量，即將失衡解體。后世，天文學(xué)將白矮星的這一質(zhì)量上限，冠名“錢德拉塞卡極限”。在隨后幾十年的天文發(fā)展歷程，證明這一理論預(yù)期的正確性。鑒于在恒星結(jié)構(gòu)和演化領(lǐng)域的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，錢德拉塞卡榮獲1983年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

選定質(zhì)量已知的爆發(fā)天體作為“標(biāo)準(zhǔn)光源”合理、正確、明智、可信。正是由于依據(jù)精準(zhǔn)度高的“量天尺”，“深空超新星巡天”的“宇宙膨脹在加速”的發(fā)現(xiàn)才一鳴驚人、舉世矚目，被視為重中之重的成就。

②［歐洲空間局(ESA)2013年3月21日公布］2009年升空運(yùn)作的第三代宇宙微波背景輻射普朗克(Planck)衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果:宇宙膨脹的速率為67.3千米/秒/300百萬光年;宇宙誕生以來的年齡為138.2億年;宇宙質(zhì)能組成——可見物質(zhì)4．9%、暗物質(zhì)26．8%、暗能量68.3%。這一成就被譽(yù)為迄今描述的最精確的宇宙圖像。