宇宙的黑暗面

方陵生/編譯

宇宙的黑暗面

方陵生/編譯

● 通過各種互補的宇宙學研究方法，暗物質和暗能量的存在終于被接受。

隨著希格斯玻色子的發現，有人可能會認為，我們終于對周圍的物質世界有了一個完整的認識，而且解開了粒子物理學的所有奧秘。恰恰相反，事實遠非如此。目前被稱為“標準模型”的宇宙理論模型，僅僅只解釋了宇宙總含量的5%。一些人可能聽說過暗物質，即占了宇宙總物質量27%的不可見的神秘物質。而可見物質（包括你和我，以及地球、恒星和星系上我們能看到的所有東西）僅占宇宙物質總量的5%。但我們怎么知道這些看不見的暗物質是否真的存在呢？

圖1暗物質（圖中亮點）在宇宙中的分布規律模擬圖

圖2為防止旋轉的螺旋星系中的恒星向外散開，需要一個力來將它們束縛住，就像一個騎在旋轉木馬上旋轉的孩子一樣，必須要緊緊抓住把手，以免被甩出去。因此，必須要有足夠的物質來生成這個引力，但星系中的可見物質的量并不足以保持這種凝聚力，這表明一定有暗物質的存在

在繼續討論暗物質之前，我必須先就暗能量的問題說幾句，因為它占了宇宙物質總質量的68%。但這部分只能簡述一下，因為我們對暗能量所知太少。1998年，兩個獨立的研究小組測量了星系互相遠離的速度。其中一個小組由索爾·珀爾馬特（Saul Perlmutter）領導，另一個小組由亞當·里斯（Adam Riess）和布萊恩·施密特（Brian Schmidt）領導。兩個小組都發現，宇宙不僅在向外膨脹，而且這種膨脹還在加速。這項發現讓這幾位科學家獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。眾所周知，無論是自行車還是汽車，加速都需要能量。那么導致宇宙加速膨脹的巨大能量來自哪里？沒有人知道。此外，人們對于這種能量的本質也一無所知。它就是與暗物質相提并論的暗能量。以下我們可以看到科學家是如何通過普朗克衛星（歐洲航天局啟動的衛星裝載實驗）斷定暗能量占據了宇宙容量的68%。

暗物質無所不在

瑞士天文學家弗里茨·茲維基（Fritz Zwicky）于1933年最早發現暗物質的存在，當時他想用兩種不同的方法來測量某個星系團（超過100個被萬有引力綁在一起的星系）的質量。首先他根據星系團中星系的旋轉速度估測其質量。就像孩子在玩旋轉木馬時必須緊抓把手以免被甩出去一樣，星系團中旋轉的星系也需要一個力來將它們持續束縛在一起。在此情況下，這個力是由星系團中所包含物質的引力提供的。為了保持這種束縛力，必須有足夠的物質產生必要的引力，否則星系團中的星系就會四散分開。

圖3根據開普勒定律，離星系中心越遠的恒星，其旋轉速度越慢，如圖中曲線A所示。但實際上螺旋星系中的恒星運動遵循著曲線B，它們的速度不受與銀河系中心距離遠近的影響，這表明星系中存在著某種巨量的不可見物質

然后茲維基用第二種方法來驗證他的計算結果。這一次他是根據星系團中星系發出的光來估計它的總質量。星系團發出的光的數量取決于星系團中包含物質的量。因此，這種方法可粗略估計星系團中所包含物質的質量。他注意到，兩次結果根本不平衡。目前的可見物質的質量不足以產生維持星系團凝聚所需要的引力。他從這個觀察結果推斷，星系團中存在著一種新的、未知類型的物質，這種物質可以在不發射任何光線的情況下產生一個引力場，由此得名“暗物質”。

旋轉的星系

可惜的是，茲維基的計算并不精確。直到20世紀70年代，美國天文學家維拉·魯賓（Vera Rubin）才精確測量出了螺旋星系內恒星的旋轉速度，從而說服了科學界。螺旋星系一直在高速旋轉。魯賓觀察到，這些星系中的恒星基本上都以相同的速度移動，無論它們離星系中心是遠還是近。

但這與開普勒定律相矛盾。根據這一定律，恒星圍繞星系中心旋轉時，離星系中心越遠的恒星移動速度越慢，如圖3中曲線A所示。恒星旋轉的速度取決于其與星系中心的距離。但魯賓發現，螺旋星系中的恒星實際上遵從曲線B。似乎最遙遠的恒星所圍繞運行的是比實際觀察到的要大10倍的星系。這種情況只有在星系中充滿了巨量的不可見物質時才可能出現，并且這種物質一直延伸到最遙遠的可見天體之外。因此，魯賓是以更精確的量化方式證明暗物質存在的第一人。從那時起，相關證據就不斷累積。

因此，宇宙包含著難以估量的未知類型物質。它的存在能夠被相較估算螺旋星云內恒星的旋轉速度稍微具體化一點的方法探測到嗎？可以的，引力透鏡就是探測暗物質的最引人注目的技術之一。引力透鏡的原理如下，大量的物質（可見物質或暗物質）會產生強大的引力場。反過來，這些引力場的存在會導致周圍空間變形，改變光線運行的軌跡。

想象一下，兩個人舉著一條拉緊的床單，另一人將乒乓球拋到床單上。球會在床單表面沿直線運動。但假設有人向床單中央拋下一個重物（比如一個臺球），乒乓球就會在變形的床單表面沿著曲面運動。

光就像那個乒乓球一樣，它必須沿著傳播途中的空間曲率前行。不包含物質的空間類似于一條拉緊的床單。在那里，光沿直線移動。但一些巨大的天體（如恒星、星系和大量的暗物質）都會產生強大的引力場，導致周圍的空間變形。光就會遵循這個變形空間的曲率而傳播。這種現象在光經過太陽附近時就會出現，光發生了輕微的偏移。一個人在觀察太陽背后的恒星所發出的光的時候，會有這樣的印象：這道光發源于另一個稍微飄忽不定的位置。

大量聚集在一起的暗物質就像鏡頭一樣。在圖4中，配備有望遠鏡的兩個人正在觀察位于一團暗物質后方的星系。那“一團”就是“鏡頭”。來自星系的部分光線在通過暗物質附近時會彎曲。對于拿著望遠鏡觀察該星系的人來說，它似乎是不斷變換位置的，就好像它根本就是在另外的地方（在圖中真實位置的上部和底部），這是由于我們的眼睛接收到不同方向的入射光線。觀察者因此看到的不是單一的畫面，而是好幾個畫面。圖4左邊描繪的是二維空間中的影像，右邊描繪的是一個平面垂直于另一個平面的影像。在這個三維空間中，光線并不僅僅是向上和向下扭曲，而是向所有方向扭曲。

圖4引力透鏡的原理可在二維布局上描述為（a），從星系中發出的光在經過附近一團暗物質時會發生位移，對于在暗物質另一邊的觀察者來說，光線似乎來自于在真正位置上方和下方變動著的位置。在三維空間中（b），一團暗物質所轉移的光線在所觀察星系的真正位置周圍形成一個光環

然后這些光線形成一個光環，就如圖5那張哈勃太空望遠鏡拍攝的照片。當星系和望遠鏡的光線不能完美重合時，只會出現微小的弧度，否則我們看到的將會是一個完美的圓環。這些圖片揭示，在觀察者和被觀察的星系之間必然存在著某種重要的巨大物質。這項技術足以確定宇宙中暗物質的分布情況，并組成另外一種探測暗物質存在的方法。

兩個星團的碰撞

科學家發現，暗物質主要圍繞在星系周圍。一個星系由一群恒星組成（我們所在星系被稱為銀河系），而100個以上的星系聚集而成的是銀河星團或疏散星團。有時，向相反方向移動的兩個星系團會發生劇烈的碰撞。

為更好地理解發生的這一切，可以將星系團想象為美國的一個橄欖球隊，每個球員代表一個星系，整個球隊形成了一個有凝聚力的星系團，就像蜂群一樣。同時我們這個想象中的足球隊不僅有正常球員，還有幽靈球員。正常球員代表星系團中的可見物質，幽靈球員代表星系團中的暗物質。我們現在可以來模擬一下兩個星系團之間的碰撞，這就像兩個球隊互相向著對方沖撞時的情景，每個球隊都同時擁有正常球員與幽靈球員。

當兩隊發生碰撞時，正常球員會撞到另一方球員并且速度大減。最后，兩隊球員想盡辦法通過糾纏區，并在摩擦中使自身變熱。但是，幽靈球員通過時絲毫不會減速。最后，每個團隊的幽靈球員都輕松超越了自己的正常隊友，因為后者速度變慢了。碰撞導致這兩類球員分離開來，并由幽靈球員打頭。

哈勃太空望遠鏡捕捉到了子彈星團發生碰撞的圖像。在摩擦力的作用下，所有這些物質在碰撞過程中變熱并產生大量X射線。暗物質和可見物質之間的位置轉移在發生碰撞的兩個星系團中都清晰可見。

普朗克合作項目的天體物理學家還使用了另一種方法確定宇宙中暗物質的量：對宇宙微波背景的研究。在討論這個問題之前，我們必須首先說一下宇宙的起源，即138億年前的宇宙大爆炸。

大爆炸標志著宇宙的誕生。在大爆炸發生的瞬間，產生的高溫達 1027度左右（在這種溫度下，我們沒必要詳細明確所用的是攝氏度、華氏度還是開氏度）。溫度太熱以至于只有輻射存在。經過最初幾分之一秒的超速膨脹之后，宇宙繼續向外延伸，但速度卻要慢得多。宇宙中所包含的所有能量在一個不斷增大的空間內分散開來，于是宇宙慢慢冷卻下來。同樣類型的冷卻發生在給輪胎內胎放氣的過程中，釋放出來的氣體在向外擴散的同時也冷卻下來，當你給自行車輪胎放氣時就可

圖5位于星系和望遠鏡之間的暗物質，通過彎曲光線并在星系圖像的周圍形成一個光環而暴露了其存在，圖為哈勃太空望遠鏡觀測到的星系影像以感覺到這一點，手按在閥門上，可以感覺氣體在通過你的手指時逐漸變冷。同樣，大爆炸后，宇宙在向外擴張的過程中溫度也在逐漸下降。

充分冷卻后的宇宙中的內含物逐漸“物化”為粒子的形式，一開始，夸克和膠子都含有太多能量而不能結合在一起，于是形成了所謂的夸克-膠子等離子體。

在大爆炸發生的大約10-10秒后，溫度下降到足以形成質子和中子。宇宙在本質上仍然由輻射、粒子等物質的不斷出現和消失構成。經過 380 000年，原子形成，又經過10億年，星系和星系團等巨型天體結構開始出現。

大爆炸中釋放的能量最初以輻射的形式出現。在向外擴張的過程中，宇宙冷卻到一定程度時粒子開始出現。380 000年后，溫度降至6 000℃左右，原子開始形成。因為只要高于這個溫度，原子就會分解。這是一個關鍵時刻：宇宙完成了一次從含有帶電粒子的“高能湯”到由中性原子構成空間的過渡，最終導致了電磁波的自由傳播，如光。因此，宇宙變得透明起來，光能夠自由傳播。那時候出現在宇宙里的所有的光在今天幾乎仍然存在著，因為在過去的138億年里，在光向前行進的路上，幾乎沒有遇到任何能夠阻擋它們的東西。

這怎么可能呢？人們必須明白，宇宙在本質上，過去是一個巨大的空間，今天仍然還是。當然，雖然地球或任何恒星的密度要高得多，但恒星之間和星系之間的距離是如此之大，宇宙的平均密度只有每立方英尺1個質子，或每立方米5個質子。相比之下，35立方英尺（1立方米）的水就含有6×1029個質子和中子（這兩種粒子的質量大致相同）。如果我們能將宇宙壓扁為相當于水的密度的盤狀，這個巨大的半徑為90億光年（當前宇宙的大小）的片狀宇宙的厚度將僅有1毫米。所以，宇宙大爆炸380 000年后產生的幾乎所有光到今天仍在宇宙四處游蕩并且從未遭遇到任何阻礙也就不足為怪了。

圖6宇宙的起源

圖7如果宇宙中所有的可見物質向同一個方向壓縮到水的密度（每立方米 1 000千克），它將被簡化為一個半徑為90億光年的片狀宇宙，其厚度僅有1毫米

宇宙微波背景

化石輻射（fossil radiation，又稱為射電輻射，在宇宙中的密度非常高，是宇宙誕生初期產生的），又叫做宇宙微波背景輻射，可追溯到宇宙誕生才380 000年的時候。如果說今天的宇宙是一位100歲的老人，按這個比例，380 000歲的宇宙相當于才出生1天的嬰兒。一個嬰兒宇宙！這最早的光在太空中旅行了大約138億年，如今仍然從四面八方抵達我們所在的地球。

像光這樣的電磁波，溫度和變熱時釋放出的光輻射之間存在著對應關系。宇宙溫度達到6 000℃時，可見光向外輻射，就像我們將金屬加熱到開始發光一樣。在宇宙向外擴張期間，宇宙的能量在一個更大的空間內擴散開來。宇宙開始冷卻，就像我們將一杯熱水倒入一片體積大得多的冷水中一樣。一滴滴熱水將它們的部分能量釋放到整個液體中，直到最后整個液體的溫度達到比最初的一杯熱水低得多的溫度。

今天宇宙的溫度僅僅只有-270.425℃（或按絕對溫標，開氏2.725度）。這個溫度與微波輻射的范圍相對應，早期宇宙的可見光仍然存在，但以微波的形式存在。

這一宇宙圖（圖8）是建立在普朗克衛星實驗收集到的數據基礎之上的。衛星掃描宇宙，在微波范圍內尋找這種化石輻射。它是宇宙最古老的圖片，它告訴我們宇宙誕生之初的模樣，還為我們提供了宇宙誕生那一刻粒子是如何結合在一起的寶貴信息。最值得關注的是，宇宙不再是同質的，而是充滿了大大小小凝聚在一起的“團塊”。

宇宙的演化

我們可以用棱鏡將光線分解成各種顏色，這種方式也可以用來分析宇宙輻射。每種顏色對應于某個特定波長，并擁有精確的頻率。宇宙學家研究了大量的與每種頻率相關的輻射。不同的頻率對應于細微的溫度變化，這種差異在示意圖上由不同顏色的小點或團塊顯示出來，每個團塊的大小及其溫度都與宇宙的演化相關。

圖9是根據其在圖片中的大小（角寬）繪制前一張圖中每個團塊的溫度變化而得來的。各個小點代表實驗結果數據。附加在點上的幾條短的豎線代表實驗誤差。這些數據與理論宇宙學模型的預測相對照，描述了宇宙物質從大爆炸到現在是如何形成和演化的。這個模型有6個調節變量，其中兩個是暗物質的密度和暗能量的密度。普朗克項目的科學家通過調整模型參數以適合它們的實驗觀察，結果確定了這兩個參數的密度。通過此過程，他們確定了宇宙物質中23%是暗物質，68%是暗能量。

圖 9根據其大小（或角寬），前圖中以不同顏色顯示的溫度變化在本圖中標繪了出來。實線代表理論描述的宇宙從開始直到現在的進化模型，它的6個自由變量可以通過調整與實驗數據點相符合。其中兩個變量是暗物質的密度和宇宙中暗能量的密度。通過調整參數與數據點相匹配，普朗克實驗的科學家斷定，宇宙物質的23%是暗物質，68%是暗能量

圖8這是我們所在的宇宙最古老的照片，它告訴我們大爆炸380 000年后宇宙的模樣。宇宙中的物質不再呈均勻式分布，而是開始聚合起來，形成作為“種子”星系的團塊。這張照片根據宇宙微波背景重建，光以微波形式從太空各個方向輻射向地球，微皮輻射在太空中徘徊了約138億年，因為宇宙本質上是一片虛空，沒有任何東西能阻擋這種輻射的傳播

暗物質和星系“種子”

宇宙學這門研究宇宙進化的科學，已經證實了暗物質的存在。宇宙學研究不僅證明了普朗克實驗數據與宇宙理論預測的一致性，同時也明確了暗物質在星系形成中發揮的重要作用。如今絕大多數的宇宙學家認為，在大爆炸后，幾乎所有宇宙物質（包括暗物質和可見物質）都是均勻分布的，就像一片巨大的霧。正如前面提到的，緊接大爆炸后，宇宙迅速擴張，導致宇宙迅速冷卻。3分鐘后，微粒開始形成原子核。第一個帶電中性原子在大爆炸380 000年后出現，星系形成的時間介于大爆炸后1億年至10億年間。

宇宙是如何從一片巨大的均勻分布的物質演化成一個個星系這樣的巨型結構的呢？原子是如何聚合在一起，從而使我們從朦朧宇宙變為團塊宇宙的呢？暗物質可能在其中起著重要作用。因為暗物質很有可能比普通物質更重，可能是最早減速的。一些很微小的波動逐漸變成微小團塊的暗物質。這些團塊越來越大，通過其引力作用吸引了更多的暗物質，最終通過雪球效應越變越大。因為暗物質通常似乎只與引力產生微弱的相互作用，它與其他3種力并無交集。在宇宙形成之初，細微積聚的暗物質似乎能更好地抵御宇宙形成初期的電磁輻射風暴。相比之下，在此惡劣的環境下，普通物質的凝集一定要困難得多。

圖10宇宙中的物質分布可以通過計算機模擬獲得。模擬的起點是通過宇宙微波背景獲得的最古老的宇宙圖，這張圖顯示了大爆炸380 000年后宇宙物質的分布。在模擬模型中，宇宙物質在引力作用下以加速運動向前移動138億年。背景圖片與3張局部放大圖顯示了模型所預測的應當在現今宇宙中發現的各種規模的結構。觀察結果與計算機的預測結果相吻合，證明了包括暗物質存在理論的演化模型確實與宇宙進化實際相一致

在宇宙開始膨脹后，一旦可見物質冷卻，它就開始在已經形成團塊的暗物質附近積聚起來。因此，暗物質為星系的形成播下了種子。歐洲核子研究中心的宇宙學家亞歷山大·阿爾貝（Alexandre Arbey）肯定地說道：“如果沒有暗物質，這一切也有可能會發生，但可能需要更長的時間。”

模擬宇宙的形成

為測試這一假設，宇宙學家建立了宇宙模型進行模擬。一個成功的演化模型應該從我們擁有的380 000歲的宇宙圖像開始，在模擬了138億多年里宇宙的進化過程后，最終得出與我們今天所觀察到的宇宙相似的結果。這樣的模型是存在的，借助于計算機模擬（現有的強大計算能力已經使模擬成為可能），這些模型重現了在加速模式下宇宙的演化過程。有好幾個視頻已經證明這種處理是可能的，這些視頻包括法國國家科學研究中心（CNRS）讓-米歇爾·阿里米（Jean-Michel Alimi）的團隊和普朗克實驗團隊的模擬視頻，這兩段視頻在幾秒鐘的短暫時間里快速重現了宇宙在138億年的演化過程，以及各種大型宇宙結構的形成過程。

圖10是計算機數字模擬的宇宙結構圖像。圖片背景中的宇宙物質基本上呈均勻式分布，但如果我們將鏡頭移近，就可以看到許多大型絲狀結構，如圖中最上面放大圖中所清晰顯示的。圖中最明亮的點對應于暗物質最集中的地方，并且是星系形成的“種子”。放得最大的圖片顯示了我們所看到的星系，例如通過哈勃太空望遠鏡所看到的星系的樣子。不包括暗物質存在的理論模型無法產生這樣的大型結構，由此暗物質的存在又多了一個論據。

暗物質存在的證據

總而言之，支持暗物質的存在的證據可歸結為以下5種：

1.螺旋星系中恒星的旋轉速度表明，這些星系中除了可見物質之外，還包含更多不可見物質。

2.引力透鏡通過折射來自大片暗物質背后天體發出的光線，揭示了暗物質的存在。

3.星系團的碰撞，如哈勃太空望遠鏡捕捉到的子彈星系團的碰撞，清楚地表明暗物質與普通物質的表現有所不同。引力透鏡揭示了暗物質的存在，而可見物質可通過其釋放的X射線檢測到。

4.為了重現普朗克實驗測量到團塊宇宙物質的分布，暗物質是一個不可或缺的基本參數。

5.暗物質是星系形成的催化劑，如果宇宙中只有可見物質，這些星系的形成將需要更多的時間。

[資料來源：American Scientist][責任編輯：朝 云]