宇宙暗使者

岑夫子

20世紀末，在物理學上，暗物質和暗能量聯袂登場了。在宇宙總的能量-質量中，暗能量據稱約占73%，暗物質約占23%，而可見物質僅僅約占4%。我們過去一直把那4%的可見物質折騰來折騰去，以為這就是宇宙的全部家當，如今才知道，原來大家都在坐井觀天。物理學家們還暗懷希望，但愿兩個“暗兄弟”在物理學上引發暴風驟雨般的革命。這樣，他們又可以大出風頭啦。因為說實話，隨著生物技術的蓬勃發展，物理學家在這個年頭確實是有些失落了。

所以，盡管迄今為止物理學革命還沒有發生，但兩“暗兄弟”的“一舉一動”都備受關注。相信每一位對物理學感興趣的讀者也是如此。他們隔段時間就會打聽一下：“暗物質和暗能量最近怎么樣？有它們的新消息么？”

關于暗能量，可談的新東西暫時還不多，這次就免了;但關于暗物質，新東西著實不少，又夠我們大談一陣子了：暗物質說不定組成了天空中最早的發光天體，這種天體的出現比第一代恒星還早;暗物質之間可能存在一種叫“暗力”的作用，這種作用力說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

根據科學版的“創世紀”，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——則等到大爆炸之后大約1億年才閃亮登場。

即便根據當前恒星的標準，第一代恒星也是“巨人”。它們動輒是太陽質量的十到數千倍，比如今的任何一顆恒星都更大、更亮，燃燒得也更快。

恒星個頭的大小取決于兩個因素：一是恒星物質的引力，這個引力讓組成恒星的氣體越縮越小;另一個是恒星燃燒產生的膨脹力，這個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核聚變轉化為較重的元素，這個過程中以光子的形式釋放出大量的能量。

不過，如果有關恒星形成的一個新理論是正確的話，那么在靠核聚變反應發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”，它們不是通過核聚變發光，而是靠暗物質粒子湮滅發光的。這種天體嚴格來說還算不上是恒星，但因為它是恒星的前生，所以叫“原恒星”，或者干脆叫“暗星”。

靠著暗物質湮滅發光

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

暗物質素有“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，坍縮到一定程度點燃了內部的核聚變，于是第一代恒星就誕生了。

在這幅圖景中，暗物質只是充當了恒星形成的背景。但按新理論，暗物質的作用也許還不止于此：在早期宇宙，由于膨脹時間還不太長，暗物質粒子的密度還很大，這些暗物質粒子一邊充當宇宙的腳手架，一邊彼此湮滅，放射出光芒。這樣，在氣體云的內部還沒發生核燃燒之前，就先發起光來。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，暗物質所占比例小于總質量的1%。但重要的是，這些暗物質的“燃燒”，可以加熱未來組成恒星的氣體，阻止它們進一步坍縮，因為氣體溫度越高，膨脹力就越大;這就相當于把恒星的胚胎“凍結”了，讓它在轉變成一顆真正的恒星之前，有足夠的時間成長。結果是，暗星會異常龐大，比第一代恒星還要巨大。它們的直徑可以從1個天文單位（日地平均距離）到大約30個天文單位——相當于從太陽到海王星的距離。同時，鑒于一顆正常的第一代恒星可以達到十到數千個太陽質量，最近的研究認為，較大的暗星質量也許會在1000～10000個太陽質量之間。暗星的溫度比太陽低，光線看上去呈類似于太陽的橙黃色，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的數十億倍。

暗星影響宇宙演化的進程

如果暗星存在，它們會推遲第一代恒星的形成，改變早期宇宙中的化學組成。暗星同時還能解釋為什么超大質量黑洞能在大爆炸之后不久就快速地形成。

計算機模擬表明，只要周圍暗物質密度足夠高，暗星就可以存在。在最差的情況下，暗星應該可以存在大約100萬年。如果暗物質密度非常大或者有從外界來的暗物質粒子注入，它們甚至可以存在數十億年。一些最初的暗星還有可能幸存至今。

一旦暗物質能源被耗盡，暗星的命運將取決于它的質量。僅有幾百個太陽質量的暗星在用完暗物質儲備之后會“解凍”。這個時候，阻止氣體云坍縮的膨脹力已不復存在了，所以它會按“預定計劃”繼續坍縮下去，直至轉變為由核聚變驅動的正常恒星。這些恒星持續燃燒上上幾百萬左右時間，最后在超新星爆發中把自身的重元素播撒到宇宙中去。

但是對于大質量的暗星來說，要想重返普通恒星那“按部就班”的生活已經不可能。它們那令人難以置信的質量會使得它們直接坍縮成黑洞。因此暗星可以解釋類星體——中心具有超大質量黑洞的明亮天體——是如何在大爆炸之后僅數億年就已經存在的，這比目前絕大部分的理論預言都要早。在之前的理論中，超大質量黑洞的產生一直是個未解之謎，如果沒有暗星，一個只有幾個太陽質量的黑洞似乎沒有足夠的時間成長為具有數百萬太陽質量的超大質量黑洞。

暗星也許還在終結宇宙的黑暗時代上發揮了作用。宇宙的黑暗時代是大爆炸之后的一個完全黑暗的時期，新生的氫和氦原子吸收了宇宙中的所有光。按照標準理論，要打破這個混沌黑暗的格局，需要數代恒星和星系的紫外光來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”，發生在大爆炸后的大約37萬年。因為暗星可以制造出更大、更亮的第一代恒星，這可以加速宇宙重電離的過程。

尋找暗星

目前暗星只是理論上的一種假設。既然暗星最顯著的作用是推遲了第一代恒星的演化進程，那么在觀測上最好的證據應該存在于第一代恒星之中。譬如說，按過去的理論，第一代恒星早應該經歷超新星爆發灰飛煙滅，再也找不著了，但要是它們存在的時間被推遲得足夠長，也許我們現在也還能觀測到第一代恒星的超新星爆發。

下一代空間望遠鏡也許還能探測到早已消失的暗星所發出的光。理論預言，來自早期暗星的光在到達地球時會被因宇宙膨脹而“移動”到遠紅外波段。科學家寄希望于韋伯空間望遠鏡上的紅外探測器去尋找這些遠紅外光，——當然，暗星也可能最終會因為太暗而無法被探測到。

另外，空間探測器還可以尋找一直幸存至今的，被凍結的暗星。雖然暗星在質量以及化學組成上和正常恒星可能一樣，但它們的體積會更大，溫度也會更低。如果天文學家發現一顆“恒星”具有這些奇特的性質，它就有可能是自宇宙創生至今一直陪伴在我們身邊的這些天體存在的證據。

這個話題就談到這里，底下我們來談暗力。

愛因斯坦說：“自然是簡單的。”這個“簡單”當然不是指現象簡單，——誰都知道自然現象紛繁復雜——而是指基本原理和基本作用是簡單的。眾所周知，大自然只有四種基本作用力：引力、電磁力、強核力和弱核力。迄今所有的自然現象，都可通過這四種基本作用力得到解釋。

就拿化學上的分子力來說，這種力很奇特：在遠距離時，表現為吸引，在近距離時則表現為排斥。但不論吸引還是排斥，其實都是四種基本作用之一——電磁力作用的結果，只是這個作用比較復雜。譬如說要計算分子A與分子B的作用力，就要計算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、遠相吸的特征。

所以，倘若我們在大自然中觀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得到解釋，那還算不得什么大發現。但倘若發現的是一種全新的基本作用力，那意義可就大了，這意味著我們對宇宙將會有一個飛躍般的認識。

最近，天文學家就認為他們可能發現了第五種基本作用力，這種作用力只存在于暗物質之間，暫且稱之為“暗力”。

“冷漠”的暗物質

前面我們已經提到，暗物質基本不與普通物質相互作用，所以此刻哪怕有成千上萬個暗物質粒子“嗖嗖”地穿過你的身體，你也感覺不到。那么，暗物質與暗物質之間有沒有相互作用呢？

對于這個問題，目前物理學家是這么看的：倘若兩個暗物質粒子正好碰個正著，那么它們就相互湮滅，以光子的形式釋放出能量。因為暗物質粒子有個奇怪的性質，它的反粒子就是它自身;但倘若是宇宙空間處于彌散狀態的暗物質，因為缺少電磁力作用，它們彼此相遇，會毫無阻礙地穿越過去。

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

暗物質的這個“冷漠”特性最早是被一個叫“子彈”的星系團所證實的。子彈星系團是兩個星系團碰撞的產物。碰撞時，星系團中的絕大多數星系會不受影響地彼此穿越，因為它們之間有相當大的空隙。這就好像兩個方陣相遇，因人員都錯開了，所以能不受阻礙地穿過去一樣。天文學家使用引力透鏡間接地發現，子彈星系團中的暗物質也能不受影響地彼此穿越。

新的基本作用力現形？

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

像子彈星系團一樣，火槍彈星系團也是由兩個星系團碰撞產生的，碰撞之前，每個星系團都各擁有數百個星系。

在這些星系里，可見的恒星只占星系總質量的大約2%，另外12%的物質是放射出X射線的溫熱氣體，剩余86%是不可見的暗物質。因為星系團里星系是如此少，如此稀疏，所以兩個星系團碰撞時，這些星系不受阻礙地穿越了過去。而熱氣體則因彼此碰撞受到阻礙，要比星系滯后。

如果暗物質的性質如上節所述，那么按理它們也應該可以不受阻礙地穿越過去。但出乎意料的是，通過觀測發現，它們比起星系來竟然也滯后了。這個滯后顯然是暗物質與暗物質相撞造成的。可是暗物質之間沒有電磁力作用，阻礙是怎么來的呢？唯一的解釋是，暗物質有自己的一種相互作用力，正是這種力產生了阻礙。而這種作用力是一種全新的基本作用力，即暗力。從性質上看，暗力應該是一種斥力。

如果這一猜測屬實，那么這是第五種基本作用力的首次現形。

暗力的存在還可以解釋天文學上一個由來已久的難題。如果暗物質之間在宏觀上只有引力作用（弱核力只在微觀的距離內起作用），那么一個星系內的暗物質經過數億年早就應該被吸引到星系中心一個密集的區域了。但實際上我們看到，暗物質像彌散的氣體一樣幾乎均勻地分布在每個星系內。除非這些暗物質之間還有排斥力，才能產生這種效果。

如果真有暗力，那前述的子彈星系的碰撞又如何解釋呢？我們前面說了，在那兒兩個星系團里的暗物質彼此不相妨礙地穿越了過去。天文學家猜測，產生子彈星系團的那兩個星系團都太年輕，在它們中暗物質分布更加稀疏，所以，暗力基本上沒起作用。

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