宇宙暗使者

岑夫子

20世紀(jì)末，在物理學(xué)上，暗物質(zhì)和暗能量聯(lián)袂登場(chǎng)了。在宇宙總的能量-質(zhì)量中，暗能量據(jù)稱約占73%，暗物質(zhì)約占23%，而可見物質(zhì)僅僅約占4%。我們過(guò)去一直把那4%的可見物質(zhì)折騰來(lái)折騰去，以為這就是宇宙的全部家當(dāng)，如今才知道，原來(lái)大家都在坐井觀天。物理學(xué)家們還暗懷希望，但愿兩個(gè)“暗兄弟”在物理學(xué)上引發(fā)暴風(fēng)驟雨般的革命。這樣，他們又可以大出風(fēng)頭啦。因?yàn)檎f(shuō)實(shí)話，隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展，物理學(xué)家在這個(gè)年頭確實(shí)是有些失落了。

所以，盡管迄今為止物理學(xué)革命還沒有發(fā)生，但兩“暗兄弟”的“一舉一動(dòng)”都備受關(guān)注。相信每一位對(duì)物理學(xué)感興趣的讀者也是如此。他們隔段時(shí)間就會(huì)打聽一下：“暗物質(zhì)和暗能量最近怎么樣？有它們的新消息么？”

關(guān)于暗能量，可談的新東西暫時(shí)還不多，這次就免了;但關(guān)于暗物質(zhì)，新東西著實(shí)不少，又夠我們大談一陣子了：暗物質(zhì)說(shuō)不定組成了天空中最早的發(fā)光天體，這種天體的出現(xiàn)比第一代恒星還早;暗物質(zhì)之間可能存在一種叫“暗力”的作用，這種作用力說(shuō)不定是自然界的第五種基本作用力。

上篇 ?宇宙最早的“居民”可能是——暗星

根據(jù)科學(xué)版的“創(chuàng)世紀(jì)”，宇宙起源于138億年前的一次大爆炸，而宇宙的第一代“居民”——恒星——?jiǎng)t等到大爆炸之后大約1億年才閃亮登場(chǎng)。

即便根據(jù)當(dāng)前恒星的標(biāo)準(zhǔn)，第一代恒星也是“巨人”。它們動(dòng)輒是太陽(yáng)質(zhì)量的十到數(shù)千倍，比如今的任何一顆恒星都更大、更亮，燃燒得也更快。

恒星個(gè)頭的大小取決于兩個(gè)因素：一是恒星物質(zhì)的引力，這個(gè)引力讓組成恒星的氣體越縮越小;另一個(gè)是恒星燃燒產(chǎn)生的膨脹力，這個(gè)膨脹力靠自身的高溫高壓抵抗引力的壓縮;而所謂的恒星燃燒，就是指恒星把氫、氦等較輕的元素通過(guò)核聚變轉(zhuǎn)化為較重的元素，這個(gè)過(guò)程中以光子的形式釋放出大量的能量。

不過(guò)，如果有關(guān)恒星形成的一個(gè)新理論是正確的話，那么在靠核聚變反應(yīng)發(fā)光的第一代恒星形成之前，或許還存在另一類更加原始的“恒星”，它們不是通過(guò)核聚變發(fā)光，而是靠暗物質(zhì)粒子湮滅發(fā)光的。這種天體嚴(yán)格來(lái)說(shuō)還算不上是恒星，但因?yàn)樗呛阈堑那吧?，所以叫“原恒星”，或者干脆叫“暗星”?/p>

靠著暗物質(zhì)湮滅發(fā)光

按我們現(xiàn)在的理解，暗物質(zhì)是一種不可見的物質(zhì);除了引力和弱核力（即四種基本作用力中最弱的兩種），暗物質(zhì)看來(lái)跟普通物質(zhì)不發(fā)生相互作用。組成暗物質(zhì)的粒子到底是什么，這至今依然是個(gè)謎。目前流行的說(shuō)法是，暗物質(zhì)粒子是弱相互作用大質(zhì)量粒子（英文縮寫WIMP粒子）。這種粒子有一種奇怪的性質(zhì)，即它的反粒子是它自身，所以兩個(gè)相同的WIMP粒子聚在一起就會(huì)湮滅，轉(zhuǎn)化成能量（見我刊2013年03A《誰(shuí)創(chuàng)造了宇宙》一文）。

暗物質(zhì)素有“宇宙的腳手架”之稱，在恒星和星系還沒有形成之前，暗物質(zhì)憑自身引力把一些氣體拉拽到身邊，然后這些氣體在引力作用下坍縮，坍縮到一定程度點(diǎn)燃了內(nèi)部的核聚變，于是第一代恒星就誕生了。

在這幅圖景中，暗物質(zhì)只是充當(dāng)了恒星形成的背景。但按新理論，暗物質(zhì)的作用也許還不止于此：在早期宇宙，由于膨脹時(shí)間還不太長(zhǎng)，暗物質(zhì)粒子的密度還很大，這些暗物質(zhì)粒子一邊充當(dāng)宇宙的腳手架，一邊彼此湮滅，放射出光芒。這樣，在氣體云的內(nèi)部還沒發(fā)生核燃燒之前，就先發(fā)起光來(lái)。這就是所謂的暗星。

在暗星中，主要的組成成分還是氫和氦——這些氣體在暗星中并不燃燒，暗物質(zhì)所占比例小于總質(zhì)量的1%。但重要的是，這些暗物質(zhì)的“燃燒”，可以加熱未來(lái)組成恒星的氣體，阻止它們進(jìn)一步坍縮，因?yàn)闅怏w溫度越高，膨脹力就越大;這就相當(dāng)于把恒星的胚胎“凍結(jié)”了，讓它在轉(zhuǎn)變成一顆真正的恒星之前，有足夠的時(shí)間成長(zhǎng)。結(jié)果是，暗星會(huì)異常龐大，比第一代恒星還要巨大。它們的直徑可以從1個(gè)天文單位（日地平均距離）到大約30個(gè)天文單位——相當(dāng)于從太陽(yáng)到海王星的距離。同時(shí)，鑒于一顆正常的第一代恒星可以達(dá)到十到數(shù)千個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，最近的研究認(rèn)為，較大的暗星質(zhì)量也許會(huì)在1000～10000個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間。暗星的溫度比太陽(yáng)低，光線看上去呈類似于太陽(yáng)的橙黃色，但由于表面積巨大，其中最大的暗星每秒釋放的能量可能是太陽(yáng)的數(shù)十億倍。

暗星影響宇宙演化的進(jìn)程

如果暗星存在，它們會(huì)推遲第一代恒星的形成，改變?cè)缙谟钪嬷械幕瘜W(xué)組成。暗星同時(shí)還能解釋為什么超大質(zhì)量黑洞能在大爆炸之后不久就快速地形成。

計(jì)算機(jī)模擬表明，只要周圍暗物質(zhì)密度足夠高，暗星就可以存在。在最差的情況下，暗星應(yīng)該可以存在大約100萬(wàn)年。如果暗物質(zhì)密度非常大或者有從外界來(lái)的暗物質(zhì)粒子注入，它們甚至可以存在數(shù)十億年。一些最初的暗星還有可能幸存至今。

一旦暗物質(zhì)能源被耗盡，暗星的命運(yùn)將取決于它的質(zhì)量。僅有幾百個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的暗星在用完暗物質(zhì)儲(chǔ)備之后會(huì)“解凍”。這個(gè)時(shí)候，阻止氣體云坍縮的膨脹力已不復(fù)存在了，所以它會(huì)按“預(yù)定計(jì)劃”繼續(xù)坍縮下去，直至轉(zhuǎn)變?yōu)橛珊司圩凃?qū)動(dòng)的正常恒星。這些恒星持續(xù)燃燒上上幾百萬(wàn)左右時(shí)間，最后在超新星爆發(fā)中把自身的重元素播撒到宇宙中去。

但是對(duì)于大質(zhì)量的暗星來(lái)說(shuō)，要想重返普通恒星那“按部就班”的生活已經(jīng)不可能。它們那令人難以置信的質(zhì)量會(huì)使得它們直接坍縮成黑洞。因此暗星可以解釋類星體——中心具有超大質(zhì)量黑洞的明亮天體——是如何在大爆炸之后僅數(shù)億年就已經(jīng)存在的，這比目前絕大部分的理論預(yù)言都要早。在之前的理論中，超大質(zhì)量黑洞的產(chǎn)生一直是個(gè)未解之謎，如果沒有暗星，一個(gè)只有幾個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞似乎沒有足夠的時(shí)間成長(zhǎng)為具有數(shù)百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。

暗星也許還在終結(jié)宇宙的黑暗時(shí)代上發(fā)揮了作用。宇宙的黑暗時(shí)代是大爆炸之后的一個(gè)完全黑暗的時(shí)期，新生的氫和氦原子吸收了宇宙中的所有光。按照標(biāo)準(zhǔn)理論，要打破這個(gè)混沌黑暗的格局，需要數(shù)代恒星和星系的紫外光來(lái)瓦解或者電離這些原子，使得宇宙變得透明，這就是所謂的“宇宙的重電離”，發(fā)生在大爆炸后的大約37萬(wàn)年。因?yàn)榘敌强梢灾圃斐龈?、更亮的第一代恒星，這可以加速宇宙重電離的過(guò)程。

尋找暗星

目前暗星只是理論上的一種假設(shè)。既然暗星最顯著的作用是推遲了第一代恒星的演化進(jìn)程，那么在觀測(cè)上最好的證據(jù)應(yīng)該存在于第一代恒星之中。譬如說(shuō)，按過(guò)去的理論，第一代恒星早應(yīng)該經(jīng)歷超新星爆發(fā)灰飛煙滅，再也找不著了，但要是它們存在的時(shí)間被推遲得足夠長(zhǎng)，也許我們現(xiàn)在也還能觀測(cè)到第一代恒星的超新星爆發(fā)。

下一代空間望遠(yuǎn)鏡也許還能探測(cè)到早已消失的暗星所發(fā)出的光。理論預(yù)言，來(lái)自早期暗星的光在到達(dá)地球時(shí)會(huì)被因宇宙膨脹而“移動(dòng)”到遠(yuǎn)紅外波段?？茖W(xué)家寄希望于韋伯空間望遠(yuǎn)鏡上的紅外探測(cè)器去尋找這些遠(yuǎn)紅外光，——當(dāng)然，暗星也可能最終會(huì)因?yàn)樘刀鵁o(wú)法被探測(cè)到。

另外，空間探測(cè)器還可以尋找一直幸存至今的，被凍結(jié)的暗星。雖然暗星在質(zhì)量以及化學(xué)組成上和正常恒星可能一樣，但它們的體積會(huì)更大，溫度也會(huì)更低。如果天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)一顆“恒星”具有這些奇特的性質(zhì)，它就有可能是自宇宙創(chuàng)生至今一直陪伴在我們身邊的這些天體存在的證據(jù)。

這個(gè)話題就談到這里，底下我們來(lái)談暗力。

愛因斯坦說(shuō)：“自然是簡(jiǎn)單的?！边@個(gè)“簡(jiǎn)單”當(dāng)然不是指現(xiàn)象簡(jiǎn)單，——誰(shuí)都知道自然現(xiàn)象紛繁復(fù)雜——而是指基本原理和基本作用是簡(jiǎn)單的。眾所周知，大自然只有四種基本作用力：引力、電磁力、強(qiáng)核力和弱核力。迄今所有的自然現(xiàn)象，都可通過(guò)這四種基本作用力得到解釋。

就拿化學(xué)上的分子力來(lái)說(shuō)，這種力很奇特：在遠(yuǎn)距離時(shí)，表現(xiàn)為吸引，在近距離時(shí)則表現(xiàn)為排斥。但不論吸引還是排斥，其實(shí)都是四種基本作用之一——電磁力作用的結(jié)果，只是這個(gè)作用比較復(fù)雜。譬如說(shuō)要計(jì)算分子A與分子B的作用力，就要計(jì)算A上所有原子與B上所有原子的靜電力。這些靜電力的總合力，就有了近相斥、遠(yuǎn)相吸的特征。

所以，倘若我們?cè)诖笞匀恢杏^察到一種新的作用力，但新的作用力可以在四種基本作用的框架內(nèi)得到解釋，那還算不得什么大發(fā)現(xiàn)。但倘若發(fā)現(xiàn)的是一種全新的基本作用力，那意義可就大了，這意味著我們對(duì)宇宙將會(huì)有一個(gè)飛躍般的認(rèn)識(shí)。

最近，天文學(xué)家就認(rèn)為他們可能發(fā)現(xiàn)了第五種基本作用力，這種作用力只存在于暗物質(zhì)之間，暫且稱之為“暗力”。

“冷漠”的暗物質(zhì)

前面我們已經(jīng)提到，暗物質(zhì)基本不與普通物質(zhì)相互作用，所以此刻哪怕有成千上萬(wàn)個(gè)暗物質(zhì)粒子“嗖嗖”地穿過(guò)你的身體，你也感覺不到。那么，暗物質(zhì)與暗物質(zhì)之間有沒有相互作用呢？

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，目前物理學(xué)家是這么看的：倘若兩個(gè)暗物質(zhì)粒子正好碰個(gè)正著，那么它們就相互湮滅，以光子的形式釋放出能量。因?yàn)榘滴镔|(zhì)粒子有個(gè)奇怪的性質(zhì)，它的反粒子就是它自身;但倘若是宇宙空間處于彌散狀態(tài)的暗物質(zhì)，因?yàn)槿鄙匐姶帕ψ饔?，它們彼此相遇，?huì)毫無(wú)阻礙地穿越過(guò)去。

打個(gè)比方。你閉著眼朝一堵墻走去，被墻彈了回來(lái)。為啥會(huì)彈回來(lái)？為什么不能像《聊齋志異》中的嶗山道士一樣穿墻而過(guò)？說(shuō)到底是由于電磁力的作用。在這個(gè)例子中，電磁力宏觀上表現(xiàn)為彈力。倘若沒了電磁力，那你是可以穿墻而過(guò)的。所以，嶗山道士對(duì)著墻喊的那一聲“過(guò)”，其實(shí)相當(dāng)于向電磁力求情“電磁力啊，求你暫停作用一會(huì)兒，放我過(guò)去吧！”暗物質(zhì)之間因缺少電磁作用，彼此相遇會(huì)穿越也就不難理解了。

暗物質(zhì)的這個(gè)“冷漠”特性最早是被一個(gè)叫“子彈”的星系團(tuán)所證實(shí)的。子彈星系團(tuán)是兩個(gè)星系團(tuán)碰撞的產(chǎn)物。碰撞時(shí)，星系團(tuán)中的絕大多數(shù)星系會(huì)不受影響地彼此穿越，因?yàn)樗鼈冎g有相當(dāng)大的空隙。這就好像兩個(gè)方陣相遇，因人員都錯(cuò)開了，所以能不受阻礙地穿過(guò)去一樣。天文學(xué)家使用引力透鏡間接地發(fā)現(xiàn)，子彈星系團(tuán)中的暗物質(zhì)也能不受影響地彼此穿越。

新的基本作用力現(xiàn)形？

但位于巨蟹座，距離我們52億光年的另一個(gè)叫“火槍彈”的星系團(tuán)卻讓人感到有些蹊蹺，似乎推翻了暗物質(zhì)的上述性質(zhì)。

像子彈星系團(tuán)一樣，火槍彈星系團(tuán)也是由兩個(gè)星系團(tuán)碰撞產(chǎn)生的，碰撞之前，每個(gè)星系團(tuán)都各擁有數(shù)百個(gè)星系。

在這些星系里，可見的恒星只占星系總質(zhì)量的大約2%，另外12%的物質(zhì)是放射出X射線的溫?zé)釟怏w，剩余86%是不可見的暗物質(zhì)。因?yàn)樾窍祱F(tuán)里星系是如此少，如此稀疏，所以兩個(gè)星系團(tuán)碰撞時(shí)，這些星系不受阻礙地穿越了過(guò)去。而熱氣體則因彼此碰撞受到阻礙，要比星系滯后。

如果暗物質(zhì)的性質(zhì)如上節(jié)所述，那么按理它們也應(yīng)該可以不受阻礙地穿越過(guò)去。但出乎意料的是，通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，它們比起星系來(lái)竟然也滯后了。這個(gè)滯后顯然是暗物質(zhì)與暗物質(zhì)相撞造成的?？墒前滴镔|(zhì)之間沒有電磁力作用，阻礙是怎么來(lái)的呢？唯一的解釋是，暗物質(zhì)有自己的一種相互作用力，正是這種力產(chǎn)生了阻礙。而這種作用力是一種全新的基本作用力，即暗力。從性質(zhì)上看，暗力應(yīng)該是一種斥力。

如果這一猜測(cè)屬實(shí)，那么這是第五種基本作用力的首次現(xiàn)形。

暗力的存在還可以解釋天文學(xué)上一個(gè)由來(lái)已久的難題。如果暗物質(zhì)之間在宏觀上只有引力作用（弱核力只在微觀的距離內(nèi)起作用），那么一個(gè)星系內(nèi)的暗物質(zhì)經(jīng)過(guò)數(shù)億年早就應(yīng)該被吸引到星系中心一個(gè)密集的區(qū)域了。但實(shí)際上我們看到，暗物質(zhì)像彌散的氣體一樣幾乎均勻地分布在每個(gè)星系內(nèi)。除非這些暗物質(zhì)之間還有排斥力，才能產(chǎn)生這種效果。

如果真有暗力，那前述的子彈星系的碰撞又如何解釋呢？我們前面說(shuō)了，在那兒兩個(gè)星系團(tuán)里的暗物質(zhì)彼此不相妨礙地穿越了過(guò)去。天文學(xué)家猜測(cè)，產(chǎn)生子彈星系團(tuán)的那兩個(gè)星系團(tuán)都太年輕，在它們中暗物質(zhì)分布更加稀疏，所以，暗力基本上沒起作用。

如果暗力真實(shí)存在，一個(gè)老話題就不能不重提了：或許在我們身邊存在著一個(gè)“暗世界”，這個(gè)世界由暗物質(zhì)組成，它有自己“暗”版的一套基本粒子和基本作用力，甚至有“暗”版的太陽(yáng)和地球，“暗”版的人類。他們指著我們世界里的普通物質(zhì)說(shuō)“那是暗物質(zhì)”，指著我們說(shuō)“那是‘暗版的人類”。這樣想下去，既有趣又恐怖，不過(guò)在暗力得到證實(shí)之前，還是讓我們先打住吧。