茫茫銀河

苗千

銀河系究竟有多大，宇宙究竟有多遼闊？這個問題已經(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，但有時跳脫出生活，試著去理解宇宙的遼闊，可能會讓人更清醒地理解自己的存在。

一些學(xué)術(shù)名詞早已進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，人們稱之為“天文數(shù)字”，只是很少去真正數(shù)一數(shù)，一串數(shù)字后面究竟綴著多少個0。人類已經(jīng)擁有了理解整個宇宙的理論工具和探測工具，但是從另一個角度來說，該怎樣去認識宇宙的浩瀚，以及隨著人類對于宇宙的認識逐漸加深，宇宙的廣闊和自身的對比又會對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。

宇宙的浩瀚遠超人類的想象，對于動輒以數(shù)億光年來計數(shù)的星系尺度來說，在銀河系邊緣的人類是否有能力認識整個銀河系的全貌？正是因為銀河系中存在著無數(shù)秘密，對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中發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的存在，幾十年來物理學(xué)家們試圖通過各種手段來研究暗物質(zhì)的性質(zhì)，但是對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)探測它的分布。正是因為缺乏有效的研究手段，人類對于暗物質(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，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，它們彼此之間也會以一種未知的方式發(fā)生相互作用，釋放能量。

這樣的猜測，不僅會影響人類對于暗物質(zhì)的研究，還可能影響到人類對于星系結(jié)構(gòu)的認識。天文學(xué)家早就意識到，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)將會因為引力作用的凝聚以類似于球形的狀態(tài)聚集在銀河系的中心，這也被稱為“暗物質(zhì)暈”（dark matter halo）。但如果確實存在不同的暗物質(zhì)基本粒子，并且它們之間會發(fā)生相互作用，情況就可能會完全不一樣。暗物質(zhì)粒子之間的相互作用會釋放能量，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，就會變?yōu)橐粋€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。她認為地球上的生物大約每3500萬年就會出現(xiàn)一次大規(guī)模滅絕現(xiàn)象，這恰恰是因為地球大約每3500萬年就會穿越一次銀河系的圓盤（地球不僅圍繞著銀河系的中心運轉(zhuǎn)，還做著上下反復(fù)穿越銀河系圓盤的周期性運動），在這一過程中，又因為“暗物質(zhì)圓盤”的引力作用，導(dǎo)致很多太陽系外圍的小行星進入太陽系內(nèi)部，因此地球遭受天外來客襲擊的概率大大增加，進而導(dǎo)致了地球生物的周期性滅絕。

藍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)確實存在有一個“暗物質(zhì)圓盤”，而這個假設(shè)目前遭到了嚴峻的挑戰(zhàn)。天文學(xué)家們一直試圖用各種方式測算銀河系內(nèi)所有物質(zhì)的總質(zhì)量，而計算的結(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）的最新探測結(jié)果讓天文學(xué)家對于銀河系有了更為直觀的印象。歐洲空間局2013年12月發(fā)射的蓋亞空間探測器在幾年間對銀河系進行了史無前例的精確探測。它分析了銀河系中10億顆恒星的運動速度和位置，這相當于銀河系內(nèi)恒星總數(shù)的1%。這次探測所獲得的數(shù)據(jù)比人類此前的任何一次探測所獲得的數(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)最保守的計算，其厚度起碼也要達到測量結(jié)果的兩倍以上。

但藍道爾教授并不打算就此承認自己的理論失敗，她認為舒茨的一些假設(shè)可能并不成立。例如舒茨在計算中假設(shè)“暗物質(zhì)圓盤”呈均勻的穩(wěn)定狀態(tài)，但是藍道爾教授認為它也有可能處于一種不穩(wěn)定的波動狀態(tài)，或者它并不是均勻分布，而是一個暗物質(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不止暗物質(zhì)在星系中的分布形態(tài)問題。作為一個圓盤狀的扁平星系，銀河系的主要質(zhì)量都集中在星系的中心區(qū)域，這個星系的秘密也大多集中在這個擁擠的區(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，因為目前人類尚沒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。而用于探測宇宙中反物質(zhì)的阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer）在2014年進一步做出發(fā)現(xiàn)，銀河系中的反物質(zhì)數(shù)量超出人們的預(yù)測。不知從何產(chǎn)生的伽馬射線與反物質(zhì)，加深了人們對于銀河系中心區(qū)域的好奇。

按照一些天文學(xué)家之前的預(yù)測，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，進而產(chǎn)生出反物質(zhì)。問題在于，如果源頭確實是來自暗物質(zhì)的相互作用，從地球上探測的伽馬射線應(yīng)該有一致的方向，但是目前顯示它們卻有一個個不同的來源。

在這種情況下，天文學(xué)家只能暫時放棄關(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磁場的高速旋轉(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方向發(fā)射高能輻射。隨著它周期性地轉(zhuǎn)動，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，也會因此被地球發(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)域分成一個個的小區(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磁場，可以進一步產(chǎn)生出電場，而電場又會將脈沖星表面的電子剝離出來，使其在強大的電磁場中加速。在加速過程中，這些高能量的電子會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進一步轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?正電子對，最終這些電子和正電子在經(jīng)過漫長的旅途之后被地球所探測到。

問題在于，位于銀河系邊緣的人類幾乎沒有可能探測到這些電子和正電子的來源。電子和正電子都帶有電荷，它們運行的方向會受到宇宙中電磁場的影響，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，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（High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory）工作的科學(xué)家們，測量了兩顆相對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，而對于“Monogem”脈沖星來說這個比例更高。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，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)會月報》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）雜志發(fā)表論文——《在球狀星團NGC 3201中一個可能的單獨恒星級質(zhì)量黑洞》（“A detached stellar-mass black hole candidate in the globular cluster NGC 3201”），報告了他們利用位于智利的極大望遠鏡（Very Large Telescope）上裝載的多單元光譜探測器（Multi Unit Spectroscopic Explorer）所做出的發(fā)現(xiàn)。

天文學(xué)家們在位于船帆座（Vela Constella-tion）內(nèi)的一個巨大的球狀星團中發(fā)現(xiàn)了一顆恒星，這顆恒星看上去似乎是在以每小時數(shù)十萬公里的速度孤零零地做著來回往復(fù)的運動，每167天循環(huán)一周。一顆恒星不可能圍繞著虛空運轉(zhuǎn)，如果在此區(qū)域沒有任何發(fā)現(xiàn)，那么它只能是一個黑洞——經(jīng)過確認這個黑洞的質(zhì)量大約相當于4個太陽質(zhì)量。這個發(fā)現(xiàn)也堪稱新奇，因為這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，因為它已經(jīng)處于不活躍的狀態(tài)，停止吸收物質(zhì)。

這個恒星級質(zhì)量的黑洞對于天文學(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球形區(qū)域，形成一個球狀星團，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個球狀星團，而黑洞與球狀星團的關(guān)系則一直令人迷惑。天文學(xué)家相信，正是球狀星團制造了大量的恒星級質(zhì)量的黑洞，研究在球狀星團內(nèi)部的黑洞，有可能幫助天文學(xué)家理解星團和黑洞的形成及演化過程，并進一步理解銀河系的演化過程。人類在2016年就探測到了在一個球狀星團中，兩個恒星級質(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)家開始認為在球狀星團內(nèi)部的恒星級質(zhì)量的黑洞可能比此前想象的更多。

維系整個太陽系和人類存在的太陽，只是銀河系中數(shù)以千億計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)以千億計的星系中的一個。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。人類因為自身獨特的思維能力，成為宇宙中最為獨特的存在。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)報道）

哈佛大學(xué)物理學(xué)教授麗莎·藍道爾