暗能量一手“操控”宇宙

子刚

直到1998年，天文学家才发现，原来我们一直忽略了占整个宇宙将近3/4的成分，也就是暗能量。暗能量不仅驱赶着宇宙膨胀，星系形状与星系间的距离也控制在它的手里。

宇宙的雕塑家

当天文学家探索暗能量时，他们发现暗能量除了决定宇宙整体的膨胀速率外，在较小的尺度上也具有长期的效应。当你把对宇宙的观测范围缩小时，第一个注意到的现象是，在宇宙尺度下，物质的分布就像蜘蛛网一样，是由数千万光年长的细丝编织而成的网状结构，中间穿插着一些大小相仿的网洞。电脑数据模拟显示出，要想形成这样的图形，必须同时具备物质与暗能量。

这可不是什么大不了的发现。这些细丝与网洞并不是行星那种有着紧密结构的物体，它们尚未从宇宙整体的膨胀中分离出来，其内部也还没达到力的平衡。因此，它们的样貌取决于宇宙膨胀（以及一切会影响膨胀的现象）和其本身重力的竞争。在宇宙中，没有任何一方能够完全主宰这场拔河比赛：如果暗能量稍强一些，膨胀将会获得胜利，使得物质扩张而无法凝聚成细丝状结构；假如暗能量稍弱一点，物质将会进一步凝聚在一起。

当你继续把范围缩小到星系团与星系的尺度时，情况会变得更复杂。包括我们银河系在内的所有星系，并不会随着时间而膨胀，它们的大小取决于恒星、气体和其他组成物质的角动量与重力间的平衡；只有从星系际空间吸积新物质，或与其他星系合并时才会成长。宇宙膨胀对于星系成长的影响微乎其微，因此，暗能量对于星系的形成，效应并不是那么明确。

同样的道理也适用于星系团。星系团是数千个星系的集合，因重力而束缚在一起，藏身于庞大的热气体云内，是宇宙里最大的聚合体。就在不久之前，许多有关星系与星系团形成的观点还看似和暗能量毫不相干，但现在看来，暗能量可能是联结这些不同观点的关键。因为这些系统的形成与演化有部分源自星系间的交互作用与合并，而这很可能正是由暗能量所主导。

要了解暗能量如何影响星系的形成，得先知道天文学家认为星系是如何形成的。目前的理论所依据的观念是物质有两种基本形态：第一种是普通物质，这种物质的粒子可以轻易地互相作用，假如带电的话，还会与电磁辐射作用，由于它们主要是由质子与中子这样的重子所组成，天文学家便称它们为“重子物质”；第二种是暗物质（与暗能量截然不同），占了所有物质总量的85%，特色是其组成粒子不会与辐射作用。但就重力的观点而言，暗物质与普通物质的特性完全相同。

为何星系渐渐不再形成？

详细的研究指出，星系在与其他星系合并时会发生形状扭曲的现象。我们能看到的最早星系，大约在宇宙年龄10亿岁时就已存在，其中有许多星系的确正在合并，但是，随着时间的演进，大型星系合并的事件就不再盛行了。在大爆炸后20亿～60亿年间（也就是宇宙历史的前半段），大型星系的合并率从50%骤降到接近零。从那时起，星系外形的分布比例就固定下来了，可见星系的互撞与合并已经相当罕见。

事实上，今日宇宙中98%的大型星系，不是椭圆形就是螺旋形。它们的外形在发生合并的时候会崩解变化。这些星系很稳定，大多由年老的恒星组成。这告诉我们，它们必定很早就已形成，而且保持规则的形状已经有很长一段时间了。有少数星系至今仍在合并中，但通常是质量较小的星系。

另一件怪事是，常见于星系中央的超大质量黑洞，其成长似乎已大幅减缓。这样的黑洞是类星体和活跃星系的能量来源，在现代宇宙里的数量非常少（我们星系和其他星系里的黑洞则是不活跃的）。这些关于星系的演化趋势是否相关？暗能量是否真是这一切现象的根源？

站上主宰的位子

有些天文学家认为，星系内部的某些過程，例如黑洞及超新星的释放能量，是星系与恒星停止形成的原因。但现在暗能量浮上了台面，它似乎是联结这所有事情的更基本原因，主要的证据是大部分星系与星系团停止形成的时间点，与暗能量开始主宰宇宙的时期大致相符，二者都发生在宇宙是现在年龄的一半之时。

概念是这样的：在宇宙历史上的那个时期，物质的密度很高，因此星系间的重力作用足以超越暗能量造成的效应，星系比肩接踵，相互作用而且经常合并。当星系内的气体云互相碰撞时，新恒星便诞生了；若气体被卷入这些系统中央。黑洞就会成长。随着时间的演进，空间膨胀，物质逐渐稀薄，重力因而减弱，但暗能量的强度却维持不变（或几乎不变），二者间难以维持稳定的平衡状态，最终造成膨胀从减速转为加速，于是，星系所在的结构被扯开，导致星系的合并比例逐渐降低，星系际气体也变得较难坠入星系中。丧失了“粮食”，黑洞当然变得平静许多。

暗能量也能解释星系团的演化。在宇宙还只有不到现有年龄一半以前，当时就已存在的古老星系团，其总质量与今日的星系团相当。也就是说，在過去的60亿～80亿年间，星系团的质量实际上并未增加。这个停滞的现象暗示了宇宙在现有年龄的一半时，星系便不再凝聚成团了，这是暗能量在大尺度上影响星系交互作用的直接证据。天文学家早在20世纪90年代中叶就已经知道，在過去的80亿年里星系团成长不多，他们将这些现象归咎于宇宙的物质密度比理论估计的低许多，而暗能量解决了观测和理论间的矛盾。

牵一发而动全身

由暗能量主导宇宙的加速，是个合理的解答，它可以解释星系族群里产生的所有已观测到的变化，也就是星系合并的中断和伴随而来的必然后果，例如丧失形成恒星的活力，并终结星系形态的变换。假如没有暗能量，星系合并的活动可能会持续得更久些，那么今天的宇宙里将存在着更多由古老恒星所组成的大型星系。同样，宇宙中低质量系统的数目会更少，而像银河系这样的螺旋星系数量将会稀少许多（假设螺旋星系无法在合并過程中保存下来）。星系的大尺度结构可能会束缚得更为紧密，而且会发生次数更多的结构合并与吸积。

相反，如果暗能量的强度比现在更大，宇宙中的星系合并事件会减少，使大型星系与星系团的数量更少。由于在时间的长河里，星系间较少发生合并，星系团的质量将不会那么高，甚至不会有星系团存在，因此螺旋星系与低质量的不规则状矮星系会变得更普遍。同时，恒星的形成数量可能比较少，使得宇宙里处于气体状态的重子质量比例较高。

虽然这些過程似乎离我们相当遥远，但星系的形成方式其实也影响我们的存在。只有恒星才能制造出比锂重的元素，而那些重元素则是建构类地行星与生命的必需材料。假如恒星形成率太低，就无法制造出够丰富的这类元素，那么宇宙将不会有这么多行星，可能也就不会演化出生命。因此，暗能量可能对宇宙里许多不同且看似毫不相干的事物有着深远的效应，甚至影响了地球的历史细节。

暗能量当然尚未完成它的工作。它看来似乎对生命有益：宇宙加速将可以避免天文学家不久之前还在担忧的事情——宇宙最终会崩塌。但暗能量也带来其他的风险，至少，它驱赶遥远的星系，使它们后退得太快而永远消失在我们的眼前，我们的星系和邻居的周遭逐渐清空，把我们遗留在日益孤寂的岛上；星系团、星系甚至飘浮于星系际空间的恒星，终将遭禁锢于极有限的球状区域，其重力可及的范围将不超過它们本身的大小。

更糟的情况是，暗能量可能还在继续演化。有些模型预测，如果暗能量随着时间而成为永远牵制一切的力量，它将会撕裂像星系团和星系这样的重力束缚系统，最后，地球也会被扯离太阳，地球上的万事万物都将一起被撕成碎片，甚至连原子也难逃毒手。曾一度躲在物质背后的暗能量，终将执行其最后的复仇。

（张小宁 插图）