黑洞吹跑了宇宙一半的物質(zhì)？

班子辰

我們都可能經(jīng)歷過這種倒霉的事兒：剛才它還在你眼前，然而你轉(zhuǎn)個身后回來再找，它卻不見了！“它”可能是鑰匙、遙控器之類的東西。

天文學家也經(jīng)歷了類似的事情——一轉(zhuǎn)眼，宇宙中一半的普通物質(zhì)就找不到了！看起來很不可思議，但這就是當前天文學家們遇到的怪事兒。那么，這究竟是怎么回事？

失蹤的另一半

當前，天文學家可通過觀測宇宙微波背景輻射來得出宇宙各種成分的含量——宇宙大約是由4.9%的普通物質(zhì)、26.8%的暗物質(zhì)和68.3%的暗能量構(gòu)成。

宇宙微波背景輻射大約是在宇宙大爆炸之后38萬年形成的。上面的含量應(yīng)該針對那時候的宇宙。但天文學家認為，到今天，宇宙各種成分的含量應(yīng)該沒有改變。

天文學家們統(tǒng)計了我們所能觀測到的所有普通物質(zhì)，包括構(gòu)成恒星、行星、黑洞、氣體和塵埃等的物質(zhì)，他們卻得到了一個令人驚訝的結(jié)果：我們找到的普通物質(zhì)大約只占了宇宙總量的2.5%。大約有一半的普通物質(zhì)丟失了。

天文學家們估算出失蹤的時間大致在宇宙最初的幾十億年里。那時，一半的普通物質(zhì)在宇宙中穩(wěn)定下來，形成了恒星和星系，另一半?yún)s失蹤了。

當然，失蹤只是一種通俗的說法。這些物質(zhì)并不是真的從我們的宇宙中消失了，它們肯定在某個地方。那會在哪里呢？尋找它們，可能是歷史上最大的一場“捉迷藏”。

失蹤者的身份特征

幸運的是，這起失蹤案有著一些有用的線索。首先，失蹤的物質(zhì)當然是無法直接看見的。事實上，人類肉眼只能看見宇宙非常少的一部分。即使有著強大的天文望遠鏡，太空中的絕大部分我們也是看不到的。

宇宙大部分的地方都令人難以置信的冷，溫度只比絕對零度高3攝氏度左右。這些寒冷的物質(zhì)輻射出的光頻率很低，只處在微波范圍內(nèi)。經(jīng)過幾十年的技術(shù)進步，現(xiàn)在的天文學家們已經(jīng)充分了解了微波范圍下的宇宙。所以，失蹤的物質(zhì)肯定不是冷的。

宇宙的另一個極端，是極熱的物質(zhì)，它們會輻射出紫外線、X射線。但我們當前的觀測技術(shù)還很落后，還沒能充分了解此波段下的宇宙，尤其是X射線波段。也許，失蹤的物質(zhì)就是能輻射出X射線的物質(zhì)？如果真的是這樣，那么它們的溫度能達到數(shù)百萬攝氏度，大致與太陽的日冕（太陽大氣的最外層）溫度相當。

另外，失蹤的物質(zhì)得是稀疏地分布在宇宙中，否則我們早就發(fā)現(xiàn)它們了。那么，熾熱且稀疏的物質(zhì)會是什么呢？在過去的幾年中，天文學家們已經(jīng)開始推測，它們可能離我們很近，也許就在銀河系等星系的周圍。

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在星系中，一些星際氣體中的粒子可能會逐漸冷卻下來，聚集在一起，形成星云，坍縮為恒星等天體。而另一些粒子會在星系強大的引力作用下，不斷地加速，速度加快，溫度也隨之提高，它們可能會被加熱到數(shù)百萬攝氏度，輻射出X射線，并遠離星系中心。

然而，星系的引力還想把這些熾熱的粒子拉回來，但這些粒子本身的熱量卻驅(qū)使它們遠離星系。最終結(jié)果是，星系周圍彌散著熱氣體暈。類似于地球周圍包裹著一層大氣，這些熱氣體暈可以被看作星系的大氣。

一些天文學家認為，失蹤的物質(zhì)可能就是這些熱氣體暈。雖然我們可能無法直接看到它們，但是我們應(yīng)該能夠觀測到它們產(chǎn)生的影響。

從遙遠的星系傳過來的光會穿過銀河系的熱氣體暈，而其里面的粒子會吸收特定波長的光線。通過這個現(xiàn)象，天文學家可以揭示熱氣體暈的成分和溫度。來自美國密歇根大學的喬爾·布雷格曼和他的同事就一直盯著來自宇宙深處的光線，希望它們能揭示出銀河系到底包含多少無形的熱氣體暈。

他們的初步觀測結(jié)果顯示，我們銀河系周圍的確包裹著一層大氣，總體的質(zhì)量與銀河系中明亮的部分相當，然而它們分布的空間范圍卻是銀河系體積的數(shù)千倍。

不過，這里仍有問題。他們的研究結(jié)果顯示，現(xiàn)在整個宇宙尺度下，熱氣體暈只能解釋部分的失蹤物質(zhì)。剩下那部分仍不知所蹤。布雷格曼等人認為，剩下那部分可能是離星系更遠的熱氣體暈，只需要我們繼續(xù)認真觀測，就能發(fā)現(xiàn)它們。

跑到了巨洞那里？

來自美國哥倫比亞大學的夏伊·杰內(nèi)爾卻不認為失蹤的物質(zhì)變?yōu)榱诵窍档拇髿?。他認為，失蹤的物質(zhì)可能離星系非常遠，大約在數(shù)百萬光年之外。

我們知道，星系不是孤立地分散在宇宙之中，它們會成群地聚集在一起，組成星系團，許多個星系團再組合成超星系團。超星系團以及周圍的暗物質(zhì)、星際氣體形成一種如細絲串成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這就是所謂的宇宙網(wǎng)。宇宙網(wǎng)中，細絲之間則存在著巨大的空洞，即巨洞。通常認為，巨洞那里的物質(zhì)密度只有我們在地球上制造出的“真空”的幾億分之一。

也許，失蹤的物質(zhì)跑到巨洞那兒去了。那么，是什么力量把物質(zhì)從宇宙網(wǎng)上推走，送入數(shù)百萬光年遠的巨洞中？

杰內(nèi)爾認為，是星系中心的超大質(zhì)量黑洞把一些物質(zhì)吹到那里的。在過去的5年里，杰內(nèi)爾參與了“揭示計劃”——一個國際合作項目，使用計算機來模擬宇宙從大爆炸到星系形成的過程。借助全球的超級計算機網(wǎng)絡(luò)，“揭示計劃”成為了我們模擬出的最接近現(xiàn)實的宇宙?！敖沂居媱潯钡囊粋€強大之處在于，你可以調(diào)整任何過程中的物理參數(shù)，然后得到相應(yīng)的結(jié)果。例如，你可以調(diào)整關(guān)于黑洞行為的參數(shù)，看會產(chǎn)生什么樣的宇宙。

杰內(nèi)爾最初的目標是為了研究星系如何誕生和滅亡的，但是在試圖調(diào)整參數(shù)，使得模型與現(xiàn)實盡可能相似時，杰內(nèi)爾和他的同事驚訝地發(fā)現(xiàn)，黑洞可以足夠強，能把大量的物質(zhì)吹進巨洞。

黑洞是宇宙大炮？

我們傾向于認為，黑洞是吞噬周圍一切的漩渦，而不是宇宙大炮。但是，其強大的引力場使它們成為了宇宙中最有效的能量輸出裝置。星系的物質(zhì)落向黑洞時，它們會高速繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，在黑洞周圍形成一個圓盤狀的吸積盤。吸積盤內(nèi)側(cè)的一些粒子速度可能會接近光速，它們有機會沿著與吸積盤垂直的方向噴射出去，逃離黑洞。這些逃離的粒子構(gòu)成了一股噴流，能沖出星系。在某些情況下，它們還會沖出星系團，奔向遠處的巨洞。

但這里仍有些問題。“揭示計劃”的模擬結(jié)果顯示，黑洞如果真的有能力把物質(zhì)吹到巨洞那里，那么它們的“火力”可能過強了，能把星系中大約90%的普通物質(zhì)都吹跑。在過去一年中，研究團隊一直在調(diào)整參數(shù)，使得模擬結(jié)果更接近現(xiàn)實，即只吹走50%左右的普通物質(zhì)。

如果事實果真如此，那么不僅說明巨洞那里有著丟失的物質(zhì)，而且黑洞還在不停地向那里泵入更多的物質(zhì)。

我們已經(jīng)知道，因為有暗能量的存在，宇宙在加速膨脹。在數(shù)十億年之后，宇宙中的星系團內(nèi)部和彼此之間的距離會越來越遠。但如果黑洞還在不停地吹跑星系內(nèi)的物質(zhì)的話，那么星系團土崩瓦解的速率會更快。我們的宇宙未來可能會更加黯淡。

當然這只是計算機模擬的結(jié)果，我們需要對其進行檢測。當前，能檢測到X射線的太空望遠鏡的靈敏度有限。不過，歐洲航天局和美國宇航局都準備在十幾年后發(fā)射更為先進的X射線太空望遠鏡。到那時，我們就可能知道，失蹤的物質(zhì)究竟是變?yōu)榱诵窍档拇髿?，還是真的被黑洞吹跑了。