茫茫銀河

苗千

銀河系究竟有多大，宇宙究竟有多遼闊？這個(gè)問題已經(jīng)超越了語言所能描述的范圍。在生活中，人們往往無需去想象茫茫銀河是一種怎樣的存在，但有時(shí)跳脫出生活，試著去理解宇宙的遼闊，可能會(huì)讓人更清醒地理解自己的存在。

一些學(xué)術(shù)名詞早已進(jìn)入了人們的日常生活，例如人們習(xí)慣于使用“黑洞”“光年”之類的詞匯來描述生活中的場(chǎng)景，卻很少去思考其天文學(xué)原意；遇到一些極大的數(shù)字時(shí)，人們稱之為“天文數(shù)字”，只是很少去真正數(shù)一數(shù)，一串?dāng)?shù)字后面究竟綴著多少個(gè)0。人類已經(jīng)擁有了理解整個(gè)宇宙的理論工具和探測(cè)工具，但是從另一個(gè)角度來說，該怎樣去認(rèn)識(shí)宇宙的浩瀚，以及隨著人類對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)逐漸加深，宇宙的廣闊和自身的對(duì)比又會(huì)對(duì)人類的文化造成怎樣的沖擊？這些問題才剛剛開始浮現(xiàn)出來。

宇宙的浩瀚遠(yuǎn)超人類的想象，對(duì)于動(dòng)輒以數(shù)億光年來計(jì)數(shù)的星系尺度來說，在銀河系邊緣的人類是否有能力認(rèn)識(shí)整個(gè)銀河系的全貌？正是因?yàn)殂y河系中存在著無數(shù)秘密，對(duì)于銀河系的種種新發(fā)現(xiàn)，常常讓天文學(xué)家們感到興奮又困惑。

銀河系中的暗物質(zhì)

人類最初正是從宇宙觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的存在，幾十年來物理學(xué)家們?cè)噲D通過各種手段來研究暗物質(zhì)的性質(zhì)，但是對(duì)于這種充斥宇宙卻又幾乎不與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用的神秘物質(zhì)仍然知之甚少，只能通過引力效應(yīng)探測(cè)它的分布。正是因?yàn)槿狈τ行У难芯渴侄危祟悓?duì)于暗物質(zhì)的基本構(gòu)成仍然限于提出各種理論模型的階段。例如最流行的理論，認(rèn)為暗物質(zhì)普遍是由一種“大質(zhì)量弱相互作用粒子”（WIMP）構(gòu)成。也有科學(xué)家猜測(cè)，就像普通物質(zhì)一樣，暗物質(zhì)也是由幾種不同的基本暗物質(zhì)粒子構(gòu)成，它們彼此之間也會(huì)以一種未知的方式發(fā)生相互作用，釋放能量。

這樣的猜測(cè)，不僅會(huì)影響人類對(duì)于暗物質(zhì)的研究，還可能影響到人類對(duì)于星系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。天文學(xué)家早就意識(shí)到，在銀河系中存在著大量的暗物質(zhì)。如果暗物質(zhì)是由大質(zhì)量弱相互作用粒子構(gòu)成，彼此之間很少發(fā)生相互作用，那么暗物質(zhì)將會(huì)因?yàn)橐ψ饔玫哪垡灶愃朴谇蛐蔚臓顟B(tài)聚集在銀河系的中心，這也被稱為“暗物質(zhì)暈”（dark matter halo）。但如果確實(shí)存在不同的暗物質(zhì)基本粒子，并且它們之間會(huì)發(fā)生相互作用，情況就可能會(huì)完全不一樣。暗物質(zhì)粒子之間的相互作用會(huì)釋放能量，使其處于更低的能量狀態(tài)。在這種情況下，就如同恒星和星際塵埃和氣體形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓盤狀星系一樣，原本想象中位于銀河系中心的暗物質(zhì)暈，就會(huì)變?yōu)橐粋€(gè)旋轉(zhuǎn)的“暗物質(zhì)圓盤”而廣泛分布在銀河系中。

關(guān)于所謂的“暗物質(zhì)圓盤”猜想，在科學(xué)界有不少的支持者，其中最為著名的就是哈佛大學(xué)物理學(xué)教授麗莎·藍(lán)道爾（Lisa Randall）。她在2016年還出版了一本科普書《暗物質(zhì)與恐龍》，在書中她將“暗物質(zhì)圓盤”和地球上生物的周期性滅絕現(xiàn)象聯(lián)系在了一起。她認(rèn)為地球上的生物大約每3500萬年就會(huì)出現(xiàn)一次大規(guī)模滅絕現(xiàn)象，這恰恰是因?yàn)榈厍虼蠹s每3500萬年就會(huì)穿越一次銀河系的圓盤（地球不僅圍繞著銀河系的中心運(yùn)轉(zhuǎn)，還做著上下反復(fù)穿越銀河系圓盤的周期性運(yùn)動(dòng)），在這一過程中，又因?yàn)椤鞍滴镔|(zhì)圓盤”的引力作用，導(dǎo)致很多太陽系外圍的小行星進(jìn)入太陽系內(nèi)部，因此地球遭受天外來客襲擊的概率大大增加，進(jìn)而導(dǎo)致了地球生物的周期性滅絕。

藍(lán)道爾教授的理論看上去并非沒有道理，但是其成立的基礎(chǔ)在于銀河系內(nèi)確實(shí)存在有一個(gè)“暗物質(zhì)圓盤”，而這個(gè)假設(shè)目前遭到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。天文學(xué)家們一直試圖用各種方式測(cè)算銀河系內(nèi)所有物質(zhì)的總質(zhì)量，而計(jì)算的結(jié)果顯示很有可能并不存在這樣一種“暗物質(zhì)圓盤”——即使真的存在，它的總質(zhì)量也不會(huì)超過銀河系中暗物質(zhì)總質(zhì)量的2%，大部分暗物質(zhì)仍是以暗物質(zhì)暈的形式聚集在銀河系的中心。

蓋亞衛(wèi)星（Gaia satellite）的最新探測(cè)結(jié)果讓天文學(xué)家對(duì)于銀河系有了更為直觀的印象。歐洲空間局2013年12月發(fā)射的蓋亞空間探測(cè)器在幾年間對(duì)銀河系進(jìn)行了史無前例的精確探測(cè)。它分析了銀河系中10億顆恒星的運(yùn)動(dòng)速度和位置，這相當(dāng)于銀河系內(nèi)恒星總數(shù)的1%。這次探測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)比人類此前的任何一次探測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)都要高出20倍以上。

加州大學(xué)伯克利分校的宇宙學(xué)博士生凱特琳·舒茨（Katelin Schutz）在分析了蓋亞衛(wèi)星發(fā)回的數(shù)據(jù)之后，基本排除了銀河系內(nèi)存在有“暗物質(zhì)圓盤”的可能。她計(jì)算，在銀河系圓盤的中間區(qū)域，即使存在有“暗物質(zhì)圓盤”，其在每立方光年內(nèi)的質(zhì)量也不會(huì)超過太陽質(zhì)量的0.4%，而如果它與地球上周期性的生物滅絕有關(guān)，即使是根據(jù)最保守的計(jì)算，其厚度起碼也要達(dá)到測(cè)量結(jié)果的兩倍以上。

但藍(lán)道爾教授并不打算就此承認(rèn)自己的理論失敗，她認(rèn)為舒茨的一些假設(shè)可能并不成立。例如舒茨在計(jì)算中假設(shè)“暗物質(zhì)圓盤”呈均勻的穩(wěn)定狀態(tài)，但是藍(lán)道爾教授認(rèn)為它也有可能處于一種不穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài)，或者它并不是均勻分布，而是一個(gè)暗物質(zhì)圓環(huán)。

脈沖星在哪里？

人類關(guān)于銀河系的探索和迷惑遠(yuǎn)不止暗物質(zhì)在星系中的分布形態(tài)問題。作為一個(gè)圓盤狀的扁平星系，銀河系的主要質(zhì)量都集中在星系的中心區(qū)域，這個(gè)星系的秘密也大多集中在這個(gè)擁擠的區(qū)域。從2009年開始，芝加哥大學(xué)的天文學(xué)家丹·胡珀（Dan Hooper）就發(fā)現(xiàn)，從銀河系的中心區(qū)域發(fā)射出大量的伽馬射線，這讓很多天文學(xué)家覺得難以置信，因?yàn)槟壳叭祟惿袥]有任何理論可以做出解釋，這些高能量的射線如何在銀河系的中心區(qū)域產(chǎn)生出來。而用于探測(cè)宇宙中反物質(zhì)的阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer）在2014年進(jìn)一步做出發(fā)現(xiàn)，銀河系中的反物質(zhì)數(shù)量超出人們的預(yù)測(cè)。不知從何產(chǎn)生的伽馬射線與反物質(zhì)，加深了人們對(duì)于銀河系中心區(qū)域的好奇。

按照一些天文學(xué)家之前的預(yù)測(cè)，這些反常的伽馬射線和反物質(zhì)都可能與暗物質(zhì)有關(guān)，有可能是暗物質(zhì)粒子之間相互作用產(chǎn)生出了伽馬射線，進(jìn)而產(chǎn)生出反物質(zhì)。問題在于，如果源頭確實(shí)是來自暗物質(zhì)的相互作用，從地球上探測(cè)的伽馬射線應(yīng)該有一致的方向，但是目前顯示它們卻有一個(gè)個(gè)不同的來源。

在這種情況下，天文學(xué)家只能暫時(shí)放棄關(guān)于暗物質(zhì)作用的假設(shè)，轉(zhuǎn)而傾向于另外一種伽馬射線的發(fā)射源：脈沖星（pulsar）。脈沖星是一種具有極強(qiáng)磁場(chǎng)的高速旋轉(zhuǎn)的中子星，具有極高的密度。這種天體在旋轉(zhuǎn)的過程中，如燈塔一樣向宇宙各個(gè)方向發(fā)射高能輻射。隨著它周期性地轉(zhuǎn)動(dòng)，這種高能輻射有可能周期性地掃過地球，如果向著地球發(fā)射一種高能脈沖信號(hào)，也會(huì)因此被地球發(fā)現(xiàn)。

2015年，來自荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)和美國(guó)麻省理工學(xué)院的兩組研究者，把銀河系的中心區(qū)域分成一個(gè)個(gè)的小區(qū)域，然后精確分析高能伽馬射線的來源。他們發(fā)現(xiàn)，在不同的小區(qū)域之間存在著巨大的差別——這種差別無法用暗物質(zhì)相互作用的模型來解釋，卻可以通過來自于脈沖星的假設(shè)得到合理解釋，比如說在不同的區(qū)域中，可能分布著數(shù)量不同或是亮度不同的脈沖星。

在這個(gè)基礎(chǔ)上，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在銀河系中心區(qū)域分布著脈沖星的假設(shè)也可以解釋在太空中出現(xiàn)的過多的反物質(zhì)。旋轉(zhuǎn)的脈沖星所具有的強(qiáng)磁場(chǎng)，可以進(jìn)一步產(chǎn)生出電場(chǎng)，而電場(chǎng)又會(huì)將脈沖星表面的電子剝離出來，使其在強(qiáng)大的電磁場(chǎng)中加速。在加速過程中，這些高能量的電子會(huì)釋放出具有高能量的伽馬射線，而一些具有極高能量的伽馬射線又會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?正電子對(duì)，最終這些電子和正電子在經(jīng)過漫長(zhǎng)的旅途之后被地球所探測(cè)到。

問題在于，位于銀河系邊緣的人類幾乎沒有可能探測(cè)到這些電子和正電子的來源。電子和正電子都帶有電荷，它們運(yùn)行的方向會(huì)受到宇宙中電磁場(chǎng)的影響，因此人們無法追蹤這些粒子的來源。相比之下，伽馬射線在宇宙中幾乎是沿著一條直線行進(jìn)，人類可以通過高能伽馬射線追索到它的源頭。

在墨西哥高海拔水基切倫科夫伽馬射線天文臺(tái)（High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory）工作的科學(xué)家們，測(cè)量了兩顆相對(duì)明亮又鄰近的脈沖星“Geminga”和“Monogem”所發(fā)射的伽馬射線。2017年5月，胡珀與來自俄亥俄州立大學(xué)、約翰霍普金斯大學(xué)的合作者們共同發(fā)表論文預(yù)印本《來自星系中心脈沖星的萬億電子伏伽馬射線》（TeV Gamma Rays From Galactic Center Pulsars），說明“Geminga”脈沖星8%至27%的能量被轉(zhuǎn)化為電子-正電子對(duì)，而對(duì)于“Monogem”脈沖星來說這個(gè)比例更高。這說明銀河系中心的高能伽馬射線和反物質(zhì)產(chǎn)生自脈沖星的假設(shè)是成立的。

關(guān)于銀河系中的高能伽馬射線和正電子的來源似乎已經(jīng)有了解答，但疑問依然存在——如果說在銀河系中心區(qū)域的脈沖星制造了這些高能光子和帶電粒子，那么這些脈沖星又在哪里呢？根據(jù)計(jì)算，要制造出如此之多的輻射和正電子，在銀河系中心起碼應(yīng)該存在著50顆脈沖星，但天文學(xué)家目前只發(fā)現(xiàn)了寥寥數(shù)顆。是天文學(xué)家的理論仍然存在問題，還是有更多的脈沖星隱藏在銀河深處難以發(fā)現(xiàn)？這只能寄希望于下一代更加靈敏的天文望遠(yuǎn)鏡帶來答案了。

孤零零的黑洞

不僅是在銀河系的中心存在種種謎團(tuán)，在銀河系的其他區(qū)域，天文學(xué)家也常有意外的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)大多與黑洞有關(guān)。

2018年1月9日，十位歐洲天文學(xué)家共同在《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）雜志發(fā)表論文——《在球狀星團(tuán)NGC 3201中一個(gè)可能的單獨(dú)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞》（“A detached stellar-mass black hole candidate in the globular cluster NGC 3201”），報(bào)告了他們利用位于智利的極大望遠(yuǎn)鏡（Very Large Telescope）上裝載的多單元光譜探測(cè)器（Multi Unit Spectroscopic Explorer）所做出的發(fā)現(xiàn)。

天文學(xué)家們?cè)谖挥诖╒ela Constella-tion）內(nèi)的一個(gè)巨大的球狀星團(tuán)中發(fā)現(xiàn)了一顆恒星，這顆恒星看上去似乎是在以每小時(shí)數(shù)十萬公里的速度孤零零地做著來回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，每167天循環(huán)一周。一顆恒星不可能圍繞著虛空運(yùn)轉(zhuǎn)，如果在此區(qū)域沒有任何發(fā)現(xiàn)，那么它只能是一個(gè)黑洞——經(jīng)過確認(rèn)這個(gè)黑洞的質(zhì)量大約相當(dāng)于4個(gè)太陽質(zhì)量。這個(gè)發(fā)現(xiàn)也堪稱新奇，因?yàn)檫@是人類第一次通過引力作用發(fā)現(xiàn)黑洞，而非像之前一樣通過射電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)黑洞。這個(gè)黑洞表現(xiàn)得非常安靜，并未向外發(fā)射任何輻射，也沒有被熾熱的氣體所圍繞，因?yàn)樗呀?jīng)處于不活躍的狀態(tài)，停止吸收物質(zhì)。

這個(gè)恒星級(jí)質(zhì)量的黑洞對(duì)于天文學(xué)家研究星系的演化有重要意義。數(shù)萬顆恒星聚集在一個(gè)球形區(qū)域，形成一個(gè)球狀星團(tuán)，這是宇宙中最早的恒星系統(tǒng)。人類已經(jīng)在銀河系中發(fā)現(xiàn)了超過150個(gè)球狀星團(tuán)，而黑洞與球狀星團(tuán)的關(guān)系則一直令人迷惑。天文學(xué)家相信，正是球狀星團(tuán)制造了大量的恒星級(jí)質(zhì)量的黑洞，研究在球狀星團(tuán)內(nèi)部的黑洞，有可能幫助天文學(xué)家理解星團(tuán)和黑洞的形成及演化過程，并進(jìn)一步理解銀河系的演化過程。人類在2016年就探測(cè)到了在一個(gè)球狀星團(tuán)中，兩個(gè)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞在合并過程中所發(fā)射的引力波，結(jié)合最新的發(fā)現(xiàn)，天文學(xué)家開始認(rèn)為在球狀星團(tuán)內(nèi)部的恒星級(jí)質(zhì)量的黑洞可能比此前想象的更多。

維系整個(gè)太陽系和人類存在的太陽，只是銀河系中數(shù)以千億計(jì)的恒星中普普通通的一顆；而我們所在的充滿著無窮無盡奧秘的茫茫銀河系，也只是宇宙中數(shù)以千億計(jì)的星系中的一個(gè)。在這樣的描述中，數(shù)字超越了人類的想象力，似乎顯得失去了意義。但正如愛因斯坦所說，宇宙最令人難以理解的地方，就在于它居然是可以被理解的。人類因?yàn)樽陨愍?dú)特的思維能力，成為宇宙中最為獨(dú)特的存在。作為目前宇宙中唯一已知的智慧生命，人類就是其自身的意義。

（本文寫作參考了《Quantamagazine》和《Science》雜志的相關(guān)報(bào)道）

哈佛大學(xué)物理學(xué)教授麗莎·藍(lán)道爾