自大爆炸以來最狂暴的事件

馬爾庫斯·伍+譯+晨飛

太空是一個(gè)狂暴的地方：小行星和彗星撞擊行星，恒星發(fā)生爆炸或者被黑洞撕裂。

但是，從規(guī)模來看，也許沒有什么能比星系團(tuán)之間的碰撞更為猛烈的了。

宇宙中的這些團(tuán)塊通常都包含幾百個(gè)星系，每個(gè)星系都有數(shù)十億至數(shù)萬億顆恒星，是引力將它們捆綁在一起。當(dāng)一個(gè)星系團(tuán)距離另一個(gè)星系團(tuán)很近時(shí)，兩個(gè)星系團(tuán)間的引力會(huì)猛烈地將它們拉到一起。隨之發(fā)生的碰撞是巨大的，會(huì)產(chǎn)生比大爆炸以來任何其他事件都要多的能量。

最大以及最著名的一個(gè)實(shí)例就是子彈星系團(tuán)大碰撞，碰撞涉及兩個(gè)星系團(tuán)，總共1000多個(gè)星系。這次撞擊非常強(qiáng)烈，形成了巨大的子彈形沖擊波，因而得名。

子彈呈系團(tuán)

撞擊的殘跡的確給人以深刻的印象。但是，天文學(xué)家并非只是圍觀看熱鬧。他們發(fā)現(xiàn)，這次撞擊揭示了看不見的東西：暗物質(zhì)。

人們認(rèn)為暗物質(zhì)是將星系團(tuán)結(jié)合在一起的“膠”，是它形成了整個(gè)宇宙中恒星、氣體和星系的引力基礎(chǔ)。

多虧了子彈星系團(tuán)大碰撞，科學(xué)家得以看清楚這種神秘的東西。這次碰撞暴露了暗物質(zhì)，將其與恒星和氣體等常規(guī)物質(zhì)分開，給我們提供了一條暗物質(zhì)真正存在的直接證據(jù)。

美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的天體物理學(xué)家馬魯薩·布拉達(dá)克說：“在宇宙中，這是我的最愛?！?/p>

這并不僅僅因?yàn)樗嬖V了科學(xué)家有暗物質(zhì)存在。該星系團(tuán)是一個(gè)萬能的工具，可以幫助研究人員研究曾經(jīng)存在的最早的星系。它也是一個(gè)宇宙實(shí)驗(yàn)室，通過它，物理學(xué)家能夠研究被稱為等離子體的帶電熱氣的基本行為。

子彈星系團(tuán)位于南方星空，距離地球37億光年，是由兩個(gè)星系團(tuán)以大約每小時(shí)1000萬千米的高速撞擊形成。雖然按人類的標(biāo)準(zhǔn)來看這的確很快，卻仍沒有打破宇宙中的任何紀(jì)錄（有些恒星的運(yùn)行速度更快）。但由于它們的體積龐大，這次碰撞非常有力。

發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系團(tuán)，一個(gè)的質(zhì)量是太陽的1000萬億倍，另一個(gè)的質(zhì)量是太陽的100萬億倍。這樣的兩個(gè)重量級(jí)選手相互撞擊，組成它們的熱氣升溫至2億攝氏度，這就形成了子彈星系團(tuán)這個(gè)已知的最熱的星系團(tuán)。

我們就像觀眾一樣，坐在它們的旁邊觀看研究人員估計(jì)，這次撞擊的總能量大約是1022焦耳，這顯然是一個(gè)讓人感到荒謬的能量。它相當(dāng)于6萬億個(gè)太陽自宇宙誕生以來（約138億年）燃燒產(chǎn)生的所有能量。

整個(gè)撞擊無論從時(shí)間還是空間來說都是超級(jí)巨大的。今天我們看到的碰撞實(shí)際上已經(jīng)持續(xù)了1.5億年，仍需20億年才能塵埃落定。它讓天文學(xué)家能夠得到碰撞發(fā)生過程中史無前例的一瞥。

雖然子彈星系團(tuán)的巨大質(zhì)量和能量肯定使其與眾不同，但是更為獨(dú)特的是它的方向。碰巧的是，這次碰撞與我們的視線正好垂直。美國芝加哥大學(xué)天體物理學(xué)家安德雷·克拉夫佐夫說：“我們就像觀眾一樣，坐在它們的旁邊觀看?！?/p>

天文學(xué)家坐在最佳位置，可以對(duì)該碰撞展開更為精確的觀測(cè)。

經(jīng)過兩年的跟蹤觀測(cè)后，2006 年，布拉達(dá)克和美國俄亥俄大學(xué)的道格拉斯·克勞伊牽頭的一個(gè)天文學(xué)家小組對(duì)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和錢德拉X射線天文臺(tái)獲得的新數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，對(duì)星系團(tuán)中的正常物質(zhì)進(jìn)行了定位。

星系團(tuán)中的絕大多數(shù)正常物質(zhì)由氣體構(gòu)成。因?yàn)樵撔窍祱F(tuán)巨大，其引力對(duì)氣體分子作用很強(qiáng)，可加快其速度，使其發(fā)熱，因而放射X射線。碰撞的星系團(tuán)使氣體進(jìn)一步升溫，產(chǎn)生更多的X射線。這意味著X射線能夠向天文學(xué)家揭示大多數(shù)正常物質(zhì)在星系團(tuán)中的位置。

天文學(xué)家首次探測(cè)到暗物質(zhì)

然后，利用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，研究人員就能夠繪制星系團(tuán)質(zhì)量的方位。無論是正常物質(zhì)還是暗物質(zhì)，只要它有質(zhì)量，就有引力，它的引力就能夠使背景中的星系發(fā)出的光彎曲。質(zhì)量越大，透鏡的功能就越強(qiáng)，光就會(huì)被更多地翹曲。

把這些觀測(cè)結(jié)果放在一起，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)子彈星系團(tuán)大約80%的質(zhì)量集中在一個(gè)區(qū)域，但這個(gè)區(qū)域無論是X射線還是其他什么類型的光都不是最強(qiáng)的。如果這一大塊質(zhì)量不是氣體，那么它一定是暗物質(zhì)。

通常，像氣體和恒星這樣的正常物體鑲嵌在暗物質(zhì)巨大的光環(huán)之中，引力將其結(jié)合到一起。但是，像形成子彈星系團(tuán)那樣的碰撞可以把它們撕開。

當(dāng)兩個(gè)星系團(tuán)相撞時(shí)，它們的氣云相撞并相互降低對(duì)方的速度?？墒牵滴镔|(zhì)幾乎不與任何物質(zhì)相互作用，只是天馬行空，所以在星系團(tuán)相撞后，它們會(huì)像鬼魂一樣穿越對(duì)方，身后留下氣體。天文學(xué)家碰巧捕捉到了處于碰撞中期的子彈星系團(tuán)，他們的測(cè)量抓住了暗物質(zhì)開始甩開氣體的那一瞬間，所以首次探測(cè)到了獨(dú)處的暗物質(zhì)。

我們觀測(cè)到的質(zhì)量的特性顯然不像已知的地球上的任何東西暗物質(zhì)這個(gè)概念并不新鮮。從20世紀(jì)30年代開始，科學(xué)家就提出了其存在的假說。

雖然多數(shù)人認(rèn)為它真的存在，但是所有的證據(jù)都是間接的。例如，有些星系旋轉(zhuǎn)速度很快，所以應(yīng)當(dāng)會(huì)飛離。像暗物質(zhì)這樣的東西一定是緊隨恒星，把星系捆綁在一起。然而，沒有直接證據(jù)，那么這種東西是否真的存在就不那么確定了。

有些研究人員暗示，解釋那些令人好奇的現(xiàn)象無須用一種神秘的物質(zhì)。他們說，也許是引力定律錯(cuò)了，引力在大尺度上的表現(xiàn)會(huì)不同。如果對(duì)引力定律加以修改，就能解釋暗物質(zhì)的怪異現(xiàn)象。

布拉達(dá)克說：“可是我們?cè)谧訌椥窍祱F(tuán)大碰撞中觀測(cè)到的質(zhì)量的特性很顯然不像已知的地球上的任何東西?！蹦切┙?jīng)過改進(jìn)的引力理論不能解釋為什么最大質(zhì)量不在氣體最多的地方?！耙?yàn)轱@然不在一起，修改引力定律的所有理論基本上都被排除了”。

有些人仍然認(rèn)為，有一種未知的中微子能構(gòu)成子彈星系團(tuán)中看不見的質(zhì)量。但是，這仍然是少數(shù)人的觀點(diǎn)?？死蜃舴蛘f：“天文學(xué)界大多相信，這是有關(guān)暗物質(zhì)的最強(qiáng)有力的證據(jù)?！?

但是，僅僅知道暗物質(zhì)存在還不夠，科學(xué)家想知道暗物質(zhì)是什么。他們假設(shè)暗物質(zhì)一定是由全然未知的某種或某類粒子構(gòu)成，不與正常粒子相互影響或產(chǎn)生任何射線，以此解釋它們?yōu)槭裁茨敲措y于辨識(shí)。事實(shí)上，多數(shù)受人歡迎的理論認(rèn)為，這些暗物質(zhì)粒子之間也不發(fā)生相互作用。

研究人員仍需要探測(cè)到這類粒子的存在。他們說，暗物質(zhì)粒子也許能夠發(fā)生自我作用，像臺(tái)球一樣碰撞并相互彈跳。

我們可以給暗物質(zhì)的特性確定一個(gè)數(shù)字如果暗物質(zhì)自身相互作用，這種作用力有多強(qiáng)？確定暗物質(zhì)是否相互作用的一個(gè)方法就是粒子碰撞。在暗物質(zhì)粒子碰撞時(shí)，是干脆相互穿越，還是發(fā)生彈跳？

科學(xué)家很幸運(yùn)，他們無須費(fèi)事建立暗物質(zhì)粒子對(duì)撞機(jī)，因?yàn)槟切┡鲎舱谧訌椥窍祱F(tuán)中自然發(fā)生。這兩個(gè)正在融合的星系團(tuán)被鑲嵌在暗物質(zhì)的光環(huán)中，因此當(dāng)星系團(tuán)對(duì)撞時(shí)，暗物質(zhì)也對(duì)撞。

截至目前的觀測(cè)表明，在子彈星系團(tuán)中，暗物質(zhì)自身似乎不大相互作用。但這并不一定意味著暗物質(zhì)不會(huì)發(fā)生相互作用，而是相互作用的力度有限。布拉達(dá)克說，因?yàn)槊黠@觀察到碰撞的發(fā)生，而且也得到了很好的界定，子彈星系團(tuán)提供了一些最佳數(shù)據(jù)，“我們實(shí)際上可以給暗物質(zhì)的特性確定一個(gè)數(shù)字。以前從來沒有真正這樣做過”。隨著研究人員繼續(xù)改進(jìn)他們的子彈星系團(tuán)計(jì)算機(jī)模擬，我們能夠更詳細(xì)地算出目前發(fā)生的情況，甚至更好地測(cè)量暗物質(zhì)的特性。

當(dāng)然，這仍然需要其他數(shù)據(jù)。布拉達(dá)克參與了基地設(shè)在美國的研究小組，研究其他 25個(gè)星系團(tuán)的碰撞。他們希望能夠確切知道暗物質(zhì)自身是否相互作用。

這是我們看到的為數(shù)不多的、明顯的宇宙沖擊案例之一雖然暗物質(zhì)使子彈星系團(tuán)聞名于世，但事情并非僅此而已。實(shí)際上，布拉達(dá)克越過了該星系團(tuán)，探測(cè)的是它后面的星系。

這個(gè)星系團(tuán)非常巨大，其引力使背景星系釋放的光彎曲。這種引力透鏡效應(yīng)將子彈星系團(tuán)變成了一面巨型放大鏡，讓天文學(xué)家更清楚地看到背景星系。

那些遙遠(yuǎn)的背景星系很重要，因?yàn)樗鼈兪怯钪孀钤缧纬傻囊徊糠?。子彈星系團(tuán)讓人們瞥見年輕的宇宙以及星系如何形成。

至于子彈星系團(tuán)本身，物理學(xué)家正借助它來理解被稱為等離子體的荷電熱氣的基本表現(xiàn)。它是兩個(gè)星系團(tuán)產(chǎn)生巨大沖擊波的一個(gè)獨(dú)特實(shí)例。克拉夫佐夫說：“這是我們看到的為數(shù)不多的、明顯的宇宙沖擊案例之一?！?/p>

太陽系也有這樣的碰撞發(fā)生。太陽噴射出帶電粒子，被稱為太陽風(fēng)。這些粒子撞擊地球的磁氣圈（地球磁場(chǎng)形成的保護(hù)性氣泡）時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生碰撞。

今后的若干年里，通過這些工具會(huì)發(fā)現(xiàn)幾萬個(gè)星系團(tuán)與一個(gè)星系團(tuán)相比，太陽系的等離子體密度更大，而且還有強(qiáng)大的磁場(chǎng)。但是，盡管存在這樣的差異，研究子彈星

系團(tuán)中的等離子體仍有助于認(rèn)識(shí)太陽系及其他空間的等離子體。

顯然，子彈星系團(tuán)極其有用。克拉夫佐夫說，這樣的星系團(tuán)相對(duì)稀罕，如此巨大的星系團(tuán)只會(huì)在其整個(gè)生命中體驗(yàn)到一兩次巨大的碰撞。

現(xiàn)在，天文學(xué)家正在通過位于智利的兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡——布蘭科望遠(yuǎn)鏡上的暗能相機(jī)和阿塔卡馬宇宙望遠(yuǎn)鏡——掃視天空，來搜尋更多的星系團(tuán)。通過這些觀察，他們將找到更多、更大的星系團(tuán)（據(jù)估計(jì)，宇宙中可能有幾十萬個(gè)質(zhì)量超過太陽1萬億倍的星系團(tuán)）。

當(dāng)然，在此之前，子彈星系團(tuán)仍然獨(dú)一無二。