“暗物质”和“暗能量”——决定大宇宙结构和宇宙最终命运的两个科学名词

李 竞

(中国科学院国家天文台，北京 100012)

“物质”和“能量”是两个普通而常见的科技名词，也是最上位的科技名词。如果它们各自加上一个普通定语“暗”，组成新的复合词——“暗物质”和“暗能量”，前者令物理学家几乎一无所知，后者荣获了2012年诺贝尔物理奖。

这两个物理名词涉及的对象，都是天文学家发现、确认并命名，现在算是天文学名词。

一 先说“暗物质”

这个名词出现于1932—1933年，如今已有80载，已不是个新名词。早在20世纪30年代初，天文学已确知，星系、星系群和星系团均是银河系之外的“河外天体”和“河外天体系统”。为了判明，由为数不多星系组成的星系群，以及拥有众多成员星系构成的星系团究竟是成员固定和整体结构稳定的天体系统，还是既不稳定、也不固定、成员最终四散、各自东西、“群”和“团”解体的短暂组成，可根据“群”和“团”的成员星系和观测者之间的近似相同的距离，以及它们彼此一致的退行速度(即谱线红移)，不太繁难地就能确认，星系群和星系团既不是投影的视觉效应，也不是短暂的组成，而都是稳定的天体系统。

瑞士旅美天文学家兹威基(F．Zwicky)还更进一步深入探讨“群”和“团”的稳定性。他从一个拥有5个成员星系的星系群入手，估算各个成员的质量，以及测定它们在“群”内各自的空间运动速度。兹威基首先一一测定5个星系的亮度，并根据已知的星系群距离求出它们各自的光度。再运用在恒星物理方法中已熟知的“质光关系”，即恒星光度和恒星质量之间的对应关系，测定出各个星系的质量，然后总和5个天体的质量，这就求出这个星系群的整体质量。按此方法求出的星系群质量称为“光度质量”。兹威基发现，如此求出的星系质量所产生的引力不足以控制星系各自的空间运动，各星系必将各自东西，四散解体。这与星系群是稳定结构的结论不符。兹威基又在认为星系群为一稳定组织的前提下，根据5个成员星系的空间运动数据，估算该“群”的质量，称之为“力学质量”。结果出乎意料地发现“力学质量”是“光度质量”的百倍。随后又陆续考察了后发星系团和其他几个星系群，结论同样:“光度质量”仅及“力学质量”的1/100～1/400。天文学界将这一出乎意料的发现称为“短缺质量问题”。随后更发现，不仅在光学波段，在其他波段，例如射电、紫外，也都观测不到任何足够份额的“短缺质量”，遂将理应存在，却又观测不到的天体称为“暗物质”。

20世纪50年代，射电天文兴起，通过观测银河系中的氢分布和运动，估算银河系的质量。结果发现，根据银河系自转求出的“力学质量”比依据恒星天文测定的银河系“光度质量”多出几十倍、上百倍。在银河系中也出现了“短缺质量问题”。

80年代，美国女天文学家鲁宾(V．Rubin)运用分光方法，系统地研究旋涡星系的自转，并从而求出星系质量。她的令人信服的结论是:所有的旋涡星系都存在“短缺质量”，其依据发光天体(所有的恒星和星际物质的总和)测定的“光度质量”不仅只及“力学质量”的1/100，甚至更少。“暗物质”再度引人关注，但真象依然不明。被推上候选名录的有:中微子、黑洞、濒死的和已亡的恒星(黑矮星、白矮星)、星际物质、行星。但所有这些已知“暗天体”的预期还是填补不上“短缺物质”的大缺口。

90年代，通过遥远类星体在前景大质量集团(主要是星系团)的“引力透镜效应”作用下，形成的“爱因斯坦弧”或“爱因斯坦环”的深空观测资料。得“见”充斥和笼罩星系团、呈形态不规则的“晕状”或“云态”的“暗物质”身影。

天文学家遂宣称已拥有铁证，表明宇宙中存在“暗物质”。并估算出，在宇宙物质中，由原子构成的各种已知天体和“暗物质”，约分别各占15% 和85%。专门研究天体的天文学家竟不知占大头的天体究竟为何物，遂诚心诚意向物理学家求教，期望能查明，构成这些在宇宙物质中约占4/5的看不见天体组成中，究竟都是哪些基本粒子?

根据“暗物质”存在的天文铁证，尤其是近年获得的新观测资料，构成“暗物质”的基本粒子，至少要同时具备下列3个属性:

1．质量较重。否则它们构成的物质无法填补上“短缺质量”的巨大缺口。应该指出，之前曾一度被推举为热门候选体的“中微子”就不再合格。

2．中性，并几乎不与任何其他物质(天体)发生作用和反应，亦即对任何天体，对它似乎都是透明的。因此，另外一些前任的候选天体，诸如黑洞、白矮星、行星，都将被排除在外。

3．初始运动速度即使不为0，也必须很小。不然，不可能集聚成“晕状”或“云态”。例如，接近光速的中微子就不可能形成“中微子云”。

迄今，物理学家声称，在已知的基本粒子族群中，还没有哪一种能够构成观测到的“暗物质”。可以说，现代物理学对天文学家确信存在的“暗物质”几乎一无所知。如今科学界一致认为，揭示“暗物质”的真象是对现代科学的一大挑战。

顺便指出，“暗物质”不是一个天文学新名词，在全国科学技术名词审定委员会1978年公布的《天文学名词》中，已经入载。在1998年问世的第二版《天文学名词》中，还加了注释。在筹划中的第三版《天文学名词》中，“暗物质”词条也正在修订。

二 再谈“暗能量”

直到20世纪20年代末，科学界和公众对宇宙一致认可的是“无边无际、无限辽阔、无论在时间上还是空间上全都是无始无终、永恒的和宁静的”。1929年，美国天文学家哈勃(E．Hubble)借助当时威力最大的光学望远镜所取得的遥远星系的观测资料，发现银河系之外的所有的、和银河系相似或同类的星系，全都各自相互高速地飞散和飞离而去。更发现另一个现象，即星系彼此之间的距离越远，四向离散的运动速度越大。哈勃的这一发现在经过核实、确认和认可后，天文学家们认为，哈勃发现的规律的最佳解释是宇宙的时空整体在膨胀，遂称之为“哈勃定律”。根据测定出的膨胀速率，可以推算出什么时光、何时岁月是膨胀的起点，这就是宇宙自膨胀开始以来的年龄。膨胀以来所达到的距离，所覆盖的领域，正是宇宙今日的大小。有了年龄，又有了大小，宇宙当然在时间上和空间上都是有限的。这样就出现了全新的“有起源、有演化、有年龄、有大小、时空正在膨胀的动态宇宙”。由于“膨胀的宇宙”在理论上和依据的观测资料均获得支持和验证，完全改变了人们对宇宙观感，哈勃宇宙膨胀的发现遂被尊为20世纪最伟大的天文学成就。

哈勃发现的星系四向退行的规律，即所谓的“哈勃定律”，被建立、证实、确认和公认之后，哈勃本人、他的科研小组、团队以及后来人，在随后的七八十年间，持续地开展后续探索，其中有两项课题，一直不曾间断。其一是精测、修订和改善宇宙膨胀的速率数值，因为它直接关乎据此推算出的宇宙年龄和宇宙大小的精准。2012年借助哈勃空间望远镜的探测取得的膨胀率是74．3 ±2．1千米 /秒 /300百万光年。由此求出:宇宙诞生以来的年龄为137．5±1．1亿年;可观测宇宙的大小约为137亿光年。

另一则是探究和查明宇宙膨胀速率是否恒定不变，持续膨胀，还是这一源于大爆炸的膨胀斥力有朝一日将不敌宇宙物质的引力，最终终止膨胀，让位于引力，变为宇宙收缩。这可是关乎宇宙未来走向何方，决定宇宙命运的大课题。天文学家的探索办法是观测尽可能遥远的星系，测定距离，将之和根据星系光谱的谱线红移资料、按哈勃定律所显示的距离相互对比，如果二者一致，表示哈勃定律所反映的距离真实正确;反之，则指出，膨胀速率发生了变化，已不再有效地显示星系的真实距离。为了距离测定的精准，必须掌握精确可靠的“量天尺”。天文学通常是将某种光度恒定或已了解其光度变化规律的天体作为“标准光源”，例如，造父变星。然而，深空星系的距离太大，超过60～70亿光年，既便运用现有的威力最大的光学望远镜，星系中的造父变星也暗弱得无法观测。因此，要有光度不仅恒定、已知，而且强大的“标准光源”。20世纪90年代，一个由美国天文学家珀尔马特(S．Perlmutter)和里斯(A．Riess)领导的团队，另一个以澳大利亚天文学家施密特(B．Schmidt)为首的科研小组，不约而同地开展了此项探索。全都采用Ⅰa型超新星作为“标准光源”①。课题称为“深空超新星巡天”，科学目标是考察膨胀速率在深空是否恒定不变。在当时，主流的观点是:斥力性质的宇宙膨胀力因受宇宙物质引力的影响，最终会减弱而减速。当取得最初几个深空Ⅰa型超新星的测光资料后，发现其亮度比在哈勃定律预期距离上，应显现的亮度暗弱，也就是说这个光度已知的“标准光源”实际处在更远的距离上。如果观测资料无误，数据处理得当，就意味着膨胀速率不是放慢，而是提速。这个结果与预期的正好相反。这两个科研团队都没有急于公布这个初步但是意料之外的发现，而是反复检查和核对科研的各个环节，并继续巡天，获取更多的超新星测光资料。几年后，更多更新的数据不仅表明，在距离70～80亿光年以及更远的深空，不仅膨胀提速，而且距离越远，提速的程度越大。这乃是宇宙膨胀正在加速。1998年，这两个课题团队公布了他们的惊人发现。科学界一致认为发现了前所不知也未曾预期、叠加在宇宙大爆炸诞生的膨胀运动之上的、斥力性质的能量，取名“暗能量”。它成为世纪之交的最重大的天文学发现和科学成就。深空超新星巡天的资料指出，“暗能量”的威力在70亿光年以远的深空开始显现。按照现有的共识，宇宙大爆炸源于137亿年之前。也就是说，宇宙诞生之后约70亿年，宇宙的行为开始从“膨胀”转变为“加速膨胀”。如果照此模式加速膨胀，那么不出1000亿年，宇宙物质密度将小到接近“无”，宇宙必将暗淡无光。这真是宇宙命运的未来吗!

根据已测定的“暗能量”，推算出包括已知天体和“暗物质”在内的宇宙物质和“暗能量”三者分别在宇宙总物质密度中，各占的份额:

普通物质(由原子组成的所有已知的发光和不发光的天体) 4．6% ±0．15%

暗物质 23．3% ±1．0%

暗能量 72．1% ±1．5%

这是一幅令人惊异、出乎想象的宇宙图像，它表明，迄今天文学已知的和探索所及的天体仅占宇宙全部的不足5%。超过95% 的份额均有待科学探究②。

鉴于“暗能量”事关重大，2011年诺贝尔物理学奖授予“深空超新星巡天”课题的3位首席天文学家。如今人们对“暗能量”还知之很少，对其本原和内涵了解不多。“暗能量”正在成为物理、天文以及宇宙学的热门话题和攻关研究对象。

注释

①“标准光源”——超新星

超新星是罕见的天象，它的出现是恒星世界最大、最亮、最激烈的爆发事件。当超新星爆发时，亮度能够超过整个星系。所以，超新星是天文学在光学波段所能观测到的距离最远的单个天体。超新星爆发之前的天体有两类。一类是质量超过10～20个太阳质量的大质量恒星;另一类是密近双星中的白矮星。现在涉及的是后者。

密近双星指的是不仅彼此引力联系，还有相互物质交流的双星系统。如果系统中的一个成员是白矮星，另一成员是其他类型的恒星，当演化的进程达到恒星的物质流向白矮星的阶段，若白矮星的质量因此一经超过某一定量，就会结构失衡，整体爆炸，成为超新星。天文学将这样的爆发事件称为“Ⅰa型超新星”。

白矮星是一种致密天体，它是质量和太阳相仿的普通恒星在生命历程的终端，因内部核心的核聚变反应息止，失去结构支承，坍缩而演变成的天体。20世纪30年代初，印度青年钱德拉塞卡(S．Chandrasekhar)在英国进修期间，根据恒星内部结构理论，求证指出，当致密的白矮星质量达到并超过1．44个太阳质量，即将失衡解体。后世，天文学将白矮星的这一质量上限，冠名“钱德拉塞卡极限”。在随后几十年的天文发展历程，证明这一理论预期的正确性。鉴于在恒星结构和演化领域的学术贡献，钱德拉塞卡荣获1983年诺贝尔物理奖。

选定质量已知的爆发天体作为“标准光源”合理、正确、明智、可信。正是由于依据精准度高的“量天尺”，“深空超新星巡天”的“宇宙膨胀在加速”的发现才一鸣惊人、举世瞩目，被视为重中之重的成就。

②［欧洲空间局(ESA)2013年3月21日公布］2009年升空运作的第三代宇宙微波背景辐射普朗克(Planck)卫星的观测数据和分析结果:宇宙膨胀的速率为67.3千米/秒/300百万光年;宇宙诞生以来的年龄为138.2亿年;宇宙质能组成——可见物质4．9%、暗物质26．8%、暗能量68.3%。这一成就被誉为迄今描述的最精确的宇宙图像。