暗物质所改变的宇宙格局

苗千

暗物质冷酷，神秘，又至关重要，它的质量是宇宙中普通物质的五倍多，如此说来暗物质才是宇宙中更为普通的物质，而宇宙中的星系更是需要暗物质的引力作用才能够结合在一起。但是暗物质究竟怎样运动，如何发生相互作用，对整个宇宙的演化有着怎样的影响？最近天文学家们的一些观测结果可能会改变人类的宇宙模型，并且更新人类对于暗物质的认识。

人类最初就是利用宇宙观测中的引力作用发现了暗物质的存在。现在天文学家们依然要通过引力效应，利用“引力透镜”效应，也就是暗物质的引力对于经过光线的扭曲作用来间接探知暗物质在宇宙中，尤其是各个星系内部的分布状态。此前天文学家们普遍认为，暗物质与普通的可见物质因为相互之间存在引力作用，所以在宇宙中的分布状况应该大致相同。但是另一方面，也始终有人提出一个重要的问题：暗物质之间是否也会和普通物质一样发生除引力作用之外的相互作用？

2015年4月，英国杜伦大学的天文学家理查德·梅西（Richard Massey）与合作者们在《皇家天文学会月报》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）杂志发表论文《与Abell 3827星系团10千秒差距核心内4明亮星系相关的暗物质行为》（The behaviour of dark matter associated with 4 bright cluster galaxies in the 10kpc core of Abell 3827），汇报了他们利用位于智利的属于欧洲南方天文台的超大望远镜（Very Large Telescope）和位于地球轨道上的哈勃空间望远镜对于星系团Abell 3827进行观测的结果。

梅西与合作者们观测了在星系团中四个亮度相似的椭圆形星系相撞的过程。在这四个星系中，他们利用引力透镜进行计算，发现起码有一个星系中的暗物质与普通物质发生了分离，两种不同物质之间的距离达到了5000光年以上。这还是人类第一次观测到一个星系中的暗物质与普通物质分离开如此远的距离，这个现象可能说明，在暗物质之间，存在着一种既不是引力作用，也不同于普通物质之间相互作用的独特相互作用，或许可以先把它命名为“暗作用”（dark force）。可能正是因为星系中的暗物质与经过的一个星系中的暗物质发生了相互作用而减速，进而与普通物质发生了分离。

梅西评价说：“我们以前认为暗物质只是停在那里做自己的事情，只会受到引力作用。但是如果暗物质在碰撞过程中速度减慢，这可能是发现暗物质也存在着丰富的物理学的第一个证据——在我们周围还有一个隐藏的宇宙。”

可能还有一个“隐藏的宇宙”？这个想法根据人类目前掌握到的证据可能还距离太远。如果以普通物质类比暗物质，物理学已经有了标准模型来描述各种基本粒子，基本粒子之间除了引力之外的相互作用都由玻色子进行传递（理论上传递引力作用的引力子尚未被发现）。而目前物理学家们倾向于认为构成暗物质的只有一种性质并不活跃的大质量弱相互作用粒子，是否在暗物质之中，也存在着一种“暗玻色子”，以传递暗物质粒子之间的（却又与普通物质世界毫无关联的）相互作用？

以普通物质世界来类比暗物质世界尚缺乏根据，哈佛大学的物理学家，畅销书《恐龙与暗物质》的作者丽莎·蓝道尔（Lisa Randall），针对暗物质之间可能存在的相互作用，提出了另外一种模型。她认为暗物质粒子之间的相互作用可能会强于暗物质粒子与普通物质之间的相互作用——在天文学观测中一些矮星系的结构与理论预测总是存在着偏差，可能就是由暗物质粒子之间的相互作用造成的，暗物质粒子之间或许存在着某种斥力使它们倾向于平均分布;她也提出了“部分相互作用”的可能，暗物质粒子只与其他暗物质粒子的一部分发生相互作用，还有另一种可能就是只有一部分暗物质粒子会与普通物质发生相互作用。

暗物质粒子之间究竟存在着怎样的相互作用，这个问题影响了宇宙发展的进程以及人类对于宇宙发展方式的理解。随着人类对暗物质理解的不断深入，有可能需要不断修改宇宙发展的模型。因为发现暗能量在推动宇宙加速膨胀而获得2011年诺贝尔物理奖的约翰·霍普金斯大学的物理学家亚当·里斯（Adam Riess）通过两种不同的“标准烛光”来更加精确地测量宇宙中的距离，利用哈勃空间望远镜对于宇宙中的18个星系进行了数百个小时的观测，以前所未有的精度对宇宙膨胀的速度（哈勃常数）进行测量。此前天文学家们观测到的宇宙膨胀速度与宇宙模型中的理论值总是存在着差异，但是因为实际测量结果存在着比较大的不确定性（测量天体之间的距离误差通差都比较大），因此理论与实际之间的差异此前并没有引起物理学家们太多的关注。里斯的测量把哈勃常数的精度提高到了前所未有的阶段，其不确定性从3.3%降到了2.4%。里斯在2016年4月5日提交的论文《对于局部哈勃常数2.4%的判定》（A 2.4% Determination of the Local Value of the Hubble Constant）中报告了这一进展。在这种情况下理论与实际之间存在的差异已经无法继续被忽略，天文学家们开始意识到，人类建立的宇宙模型有可能需要修改。

人类建立起宇宙的数学模型，其数据主要来自欧洲空间局（ESA）的普朗克卫星在几年前对于宇宙微波背景辐射的测量结果。人类以此描绘了早期宇宙，并且演算出了宇宙演化至今的形象（尽管人类对于哈勃常数和宇宙微波背景辐射的测量都可能存在误差）。如果这两组数据都值得信任，那么很显然，人类对于整个宇宙的演化机制还存在着误解。有可能被认为是一直推动宇宙加速膨胀的暗能量的强度并非恒定，而是随着时间逐渐增强，另一种可能则是暗物质并非像人们想象中那样懒于移动，它们之间也存在着复杂的相互作用同样影响着宇宙的演化。

（本文写作参考了《自然》杂志）