宇宙的黑暗面

2017-06-15方陵生编译

世界科学 2017年6期

方陵生/编译

宇宙的黑暗面

方陵生/编译

● 通过各种互补的宇宙学研究方法，暗物质和暗能量的存在终于被接受。

随着希格斯玻色子的发现，有人可能会认为，我们终于对周围的物质世界有了一个完整的认识，而且解开了粒子物理学的所有奥秘。恰恰相反，事实远非如此。目前被称为“标准模型”的宇宙理论模型，仅仅只解释了宇宙总含量的5%。一些人可能听说过暗物质，即占了宇宙总物质量27%的不可见的神秘物质。而可见物质（包括你和我，以及地球、恒星和星系上我们能看到的所有东西）仅占宇宙物质总量的5%。但我们怎么知道这些看不见的暗物质是否真的存在呢？

图1暗物质（图中亮点）在宇宙中的分布规律模拟图

图2为防止旋转的螺旋星系中的恒星向外散开，需要一个力来将它们束缚住，就像一个骑在旋转木马上旋转的孩子一样，必须要紧紧抓住把手，以免被甩出去。因此，必须要有足够的物质来生成这个引力，但星系中的可见物质的量并不足以保持这种凝聚力，这表明一定有暗物质的存在

在继续讨论暗物质之前，我必须先就暗能量的问题说几句，因为它占了宇宙物质总质量的68%。但这部分只能简述一下，因为我们对暗能量所知太少。1998年，两个独立的研究小组测量了星系互相远离的速度。其中一个小组由索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）领导，另一个小组由亚当·里斯（Adam Riess）和布莱恩·施密特（Brian Schmidt）领导。两个小组都发现，宇宙不仅在向外膨胀，而且这种膨胀还在加速。这项发现让这几位科学家获得了2011年的诺贝尔物理学奖。众所周知，无论是自行车还是汽车，加速都需要能量。那么导致宇宙加速膨胀的巨大能量来自哪里？没有人知道。此外，人们对于这种能量的本质也一无所知。它就是与暗物质相提并论的暗能量。以下我们可以看到科学家是如何通过普朗克卫星（欧洲航天局启动的卫星装载实验）断定暗能量占据了宇宙容量的68%。

暗物质无所不在

瑞士天文学家弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky）于1933年最早发现暗物质的存在，当时他想用两种不同的方法来测量某个星系团（超过100个被万有引力绑在一起的星系）的质量。首先他根据星系团中星系的旋转速度估测其质量。就像孩子在玩旋转木马时必须紧抓把手以免被甩出去一样，星系团中旋转的星系也需要一个力来将它们持续束缚在一起。在此情况下，这个力是由星系团中所包含物质的引力提供的。为了保持这种束缚力，必须有足够的物质产生必要的引力，否则星系团中的星系就会四散分开。

图3根据开普勒定律，离星系中心越远的恒星，其旋转速度越慢，如图中曲线A所示。但实际上螺旋星系中的恒星运动遵循着曲线B，它们的速度不受与银河系中心距离远近的影响，这表明星系中存在着某种巨量的不可见物质

然后兹维基用第二种方法来验证他的计算结果。这一次他是根据星系团中星系发出的光来估计它的总质量。星系团发出的光的数量取决于星系团中包含物质的量。因此，这种方法可粗略估计星系团中所包含物质的质量。他注意到，两次结果根本不平衡。目前的可见物质的质量不足以产生维持星系团凝聚所需要的引力。他从这个观察结果推断，星系团中存在着一种新的、未知类型的物质，这种物质可以在不发射任何光线的情况下产生一个引力场，由此得名“暗物质”。

旋转的星系

可惜的是，兹维基的计算并不精确。直到20世纪70年代，美国天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）才精确测量出了螺旋星系内恒星的旋转速度，从而说服了科学界。螺旋星系一直在高速旋转。鲁宾观察到，这些星系中的恒星基本上都以相同的速度移动，无论它们离星系中心是远还是近。

但这与开普勒定律相矛盾。根据这一定律，恒星围绕星系中心旋转时，离星系中心越远的恒星移动速度越慢，如图3中曲线A所示。恒星旋转的速度取决于其与星系中心的距离。但鲁宾发现，螺旋星系中的恒星实际上遵从曲线B。似乎最遥远的恒星所围绕运行的是比实际观察到的要大10倍的星系。这种情况只有在星系中充满了巨量的不可见物质时才可能出现，并且这种物质一直延伸到最遥远的可见天体之外。因此，鲁宾是以更精确的量化方式证明暗物质存在的第一人。从那时起，相关证据就不断累积。

因此，宇宙包含着难以估量的未知类型物质。它的存在能够被相较估算螺旋星云内恒星的旋转速度稍微具体化一点的方法探测到吗？可以的，引力透镜就是探测暗物质的最引人注目的技术之一。引力透镜的原理如下，大量的物质（可见物质或暗物质）会产生强大的引力场。反过来，这些引力场的存在会导致周围空间变形，改变光线运行的轨迹。

想象一下，两个人举着一条拉紧的床单，另一人将乒乓球抛到床单上。球会在床单表面沿直线运动。但假设有人向床单中央抛下一个重物（比如一个台球），乒乓球就会在变形的床单表面沿着曲面运动。

光就像那个乒乓球一样，它必须沿着传播途中的空间曲率前行。不包含物质的空间类似于一条拉紧的床单。在那里，光沿直线移动。但一些巨大的天体（如恒星、星系和大量的暗物质）都会产生强大的引力场，导致周围的空间变形。光就会遵循这个变形空间的曲率而传播。这种现象在光经过太阳附近时就会出现，光发生了轻微的偏移。一个人在观察太阳背后的恒星所发出的光的时候，会有这样的印象：这道光发源于另一个稍微飘忽不定的位置。

大量聚集在一起的暗物质就像镜头一样。在图4中，配备有望远镜的两个人正在观察位于一团暗物质后方的星系。那“一团”就是“镜头”。来自星系的部分光线在通过暗物质附近时会弯曲。对于拿着望远镜观察该星系的人来说，它似乎是不断变换位置的，就好像它根本就是在另外的地方（在图中真实位置的上部和底部），这是由于我们的眼睛接收到不同方向的入射光线。观察者因此看到的不是单一的画面，而是好几个画面。图4左边描绘的是二维空间中的影像，右边描绘的是一个平面垂直于另一个平面的影像。在这个三维空间中，光线并不仅仅是向上和向下扭曲，而是向所有方向扭曲。

图4引力透镜的原理可在二维布局上描述为（a），从星系中发出的光在经过附近一团暗物质时会发生位移，对于在暗物质另一边的观察者来说，光线似乎来自于在真正位置上方和下方变动着的位置。在三维空间中（b），一团暗物质所转移的光线在所观察星系的真正位置周围形成一个光环

然后这些光线形成一个光环，就如图5那张哈勃太空望远镜拍摄的照片。当星系和望远镜的光线不能完美重合时，只会出现微小的弧度，否则我们看到的将会是一个完美的圆环。这些图片揭示，在观察者和被观察的星系之间必然存在着某种重要的巨大物质。这项技术足以确定宇宙中暗物质的分布情况，并组成另外一种探测暗物质存在的方法。

两个星团的碰撞

科学家发现，暗物质主要围绕在星系周围。一个星系由一群恒星组成（我们所在星系被称为银河系），而100个以上的星系聚集而成的是银河星团或疏散星团。有时，向相反方向移动的两个星系团会发生剧烈的碰撞。

为更好地理解发生的这一切，可以将星系团想象为美国的一个橄榄球队，每个球员代表一个星系，整个球队形成了一个有凝聚力的星系团，就像蜂群一样。同时我们这个想象中的足球队不仅有正常球员，还有幽灵球员。正常球员代表星系团中的可见物质，幽灵球员代表星系团中的暗物质。我们现在可以来模拟一下两个星系团之间的碰撞，这就像两个球队互相向着对方冲撞时的情景，每个球队都同时拥有正常球员与幽灵球员。

当两队发生碰撞时，正常球员会撞到另一方球员并且速度大减。最后，两队球员想尽办法通过纠缠区，并在摩擦中使自身变热。但是，幽灵球员通过时丝毫不会减速。最后，每个团队的幽灵球员都轻松超越了自己的正常队友，因为后者速度变慢了。碰撞导致这两类球员分离开来，并由幽灵球员打头。

哈勃太空望远镜捕捉到了子弹星团发生碰撞的图像。在摩擦力的作用下，所有这些物质在碰撞过程中变热并产生大量X射线。暗物质和可见物质之间的位置转移在发生碰撞的两个星系团中都清晰可见。

普朗克合作项目的天体物理学家还使用了另一种方法确定宇宙中暗物质的量：对宇宙微波背景的研究。在讨论这个问题之前，我们必须首先说一下宇宙的起源，即138亿年前的宇宙大爆炸。

大爆炸标志着宇宙的诞生。在大爆炸发生的瞬间，产生的高温达 1027度左右（在这种温度下，我们没必要详细明确所用的是摄氏度、华氏度还是开氏度）。温度太热以至于只有辐射存在。经过最初几分之一秒的超速膨胀之后，宇宙继续向外延伸，但速度却要慢得多。宇宙中所包含的所有能量在一个不断增大的空间内分散开来，于是宇宙慢慢冷却下来。同样类型的冷却发生在给轮胎内胎放气的过程中，释放出来的气体在向外扩散的同时也冷却下来，当你给自行车轮胎放气时就可

图5位于星系和望远镜之间的暗物质，通过弯曲光线并在星系图像的周围形成一个光环而暴露了其存在，图为哈勃太空望远镜观测到的星系影像以感觉到这一点，手按在阀门上，可以感觉气体在通过你的手指时逐渐变冷。同样，大爆炸后，宇宙在向外扩张的过程中温度也在逐渐下降。

充分冷却后的宇宙中的内含物逐渐“物化”为粒子的形式，一开始，夸克和胶子都含有太多能量而不能结合在一起，于是形成了所谓的夸克-胶子等离子体。

在大爆炸发生的大约10-10秒后，温度下降到足以形成质子和中子。宇宙在本质上仍然由辐射、粒子等物质的不断出现和消失构成。经过 380 000年，原子形成，又经过10亿年，星系和星系团等巨型天体结构开始出现。

大爆炸中释放的能量最初以辐射的形式出现。在向外扩张的过程中，宇宙冷却到一定程度时粒子开始出现。380 000年后，温度降至6 000℃左右，原子开始形成。因为只要高于这个温度，原子就会分解。这是一个关键时刻：宇宙完成了一次从含有带电粒子的“高能汤”到由中性原子构成空间的过渡，最终导致了电磁波的自由传播，如光。因此，宇宙变得透明起来，光能够自由传播。那时候出现在宇宙里的所有的光在今天几乎仍然存在着，因为在过去的138亿年里，在光向前行进的路上，几乎没有遇到任何能够阻挡它们的东西。

这怎么可能呢？人们必须明白，宇宙在本质上，过去是一个巨大的空间，今天仍然还是。当然，虽然地球或任何恒星的密度要高得多，但恒星之间和星系之间的距离是如此之大，宇宙的平均密度只有每立方英尺1个质子，或每立方米5个质子。相比之下，35立方英尺（1立方米）的水就含有6×1029个质子和中子（这两种粒子的质量大致相同）。如果我们能将宇宙压扁为相当于水的密度的盘状，这个巨大的半径为90亿光年（当前宇宙的大小）的片状宇宙的厚度将仅有1毫米。所以，宇宙大爆炸380 000年后产生的几乎所有光到今天仍在宇宙四处游荡并且从未遭遇到任何阻碍也就不足为怪了。

图6宇宙的起源

图7如果宇宙中所有的可见物质向同一个方向压缩到水的密度（每立方米 1 000千克），它将被简化为一个半径为90亿光年的片状宇宙，其厚度仅有1毫米

宇宙微波背景

化石辐射（fossil radiation，又称为射电辐射，在宇宙中的密度非常高，是宇宙诞生初期产生的），又叫做宇宙微波背景辐射，可追溯到宇宙诞生才380 000年的时候。如果说今天的宇宙是一位100岁的老人，按这个比例，380 000岁的宇宙相当于才出生1天的婴儿。一个婴儿宇宙！这最早的光在太空中旅行了大约138亿年，如今仍然从四面八方抵达我们所在的地球。

像光这样的电磁波，温度和变热时释放出的光辐射之间存在着对应关系。宇宙温度达到6 000℃时，可见光向外辐射，就像我们将金属加热到开始发光一样。在宇宙向外扩张期间，宇宙的能量在一个更大的空间内扩散开来。宇宙开始冷却，就像我们将一杯热水倒入一片体积大得多的冷水中一样。一滴滴热水将它们的部分能量释放到整个液体中，直到最后整个液体的温度达到比最初的一杯热水低得多的温度。

今天宇宙的温度仅仅只有-270.425℃（或按绝对温标，开氏2.725度）。这个温度与微波辐射的范围相对应，早期宇宙的可见光仍然存在，但以微波的形式存在。

这一宇宙图（图8）是建立在普朗克卫星实验收集到的数据基础之上的。卫星扫描宇宙，在微波范围内寻找这种化石辐射。它是宇宙最古老的图片，它告诉我们宇宙诞生之初的模样，还为我们提供了宇宙诞生那一刻粒子是如何结合在一起的宝贵信息。最值得关注的是，宇宙不再是同质的，而是充满了大大小小凝聚在一起的“团块”。

宇宙的演化

我们可以用棱镜将光线分解成各种颜色，这种方式也可以用来分析宇宙辐射。每种颜色对应于某个特定波长，并拥有精确的频率。宇宙学家研究了大量的与每种频率相关的辐射。不同的频率对应于细微的温度变化，这种差异在示意图上由不同颜色的小点或团块显示出来，每个团块的大小及其温度都与宇宙的演化相关。

图9是根据其在图片中的大小（角宽）绘制前一张图中每个团块的温度变化而得来的。各个小点代表实验结果数据。附加在点上的几条短的竖线代表实验误差。这些数据与理论宇宙学模型的预测相对照，描述了宇宙物质从大爆炸到现在是如何形成和演化的。这个模型有6个调节变量，其中两个是暗物质的密度和暗能量的密度。普朗克项目的科学家通过调整模型参数以适合它们的实验观察，结果确定了这两个参数的密度。通过此过程，他们确定了宇宙物质中23%是暗物质，68%是暗能量。

图 9根据其大小（或角宽），前图中以不同颜色显示的温度变化在本图中标绘了出来。实线代表理论描述的宇宙从开始直到现在的进化模型，它的6个自由变量可以通过调整与实验数据点相符合。其中两个变量是暗物质的密度和宇宙中暗能量的密度。通过调整参数与数据点相匹配，普朗克实验的科学家断定，宇宙物质的23%是暗物质，68%是暗能量

图8这是我们所在的宇宙最古老的照片，它告诉我们大爆炸380 000年后宇宙的模样。宇宙中的物质不再呈均匀式分布，而是开始聚合起来，形成作为“种子”星系的团块。这张照片根据宇宙微波背景重建，光以微波形式从太空各个方向辐射向地球，微皮辐射在太空中徘徊了约138亿年，因为宇宙本质上是一片虚空，没有任何东西能阻挡这种辐射的传播

暗物质和星系“种子”

宇宙学这门研究宇宙进化的科学，已经证实了暗物质的存在。宇宙学研究不仅证明了普朗克实验数据与宇宙理论预测的一致性，同时也明确了暗物质在星系形成中发挥的重要作用。如今绝大多数的宇宙学家认为，在大爆炸后，几乎所有宇宙物质（包括暗物质和可见物质）都是均匀分布的，就像一片巨大的雾。正如前面提到的，紧接大爆炸后，宇宙迅速扩张，导致宇宙迅速冷却。3分钟后，微粒开始形成原子核。第一个带电中性原子在大爆炸380 000年后出现，星系形成的时间介于大爆炸后1亿年至10亿年间。

宇宙是如何从一片巨大的均匀分布的物质演化成一个个星系这样的巨型结构的呢？原子是如何聚合在一起，从而使我们从朦胧宇宙变为团块宇宙的呢？暗物质可能在其中起着重要作用。因为暗物质很有可能比普通物质更重，可能是最早减速的。一些很微小的波动逐渐变成微小团块的暗物质。这些团块越来越大，通过其引力作用吸引了更多的暗物质，最终通过雪球效应越变越大。因为暗物质通常似乎只与引力产生微弱的相互作用，它与其他3种力并无交集。在宇宙形成之初，细微积聚的暗物质似乎能更好地抵御宇宙形成初期的电磁辐射风暴。相比之下，在此恶劣的环境下，普通物质的凝集一定要困难得多。

图10宇宙中的物质分布可以通过计算机模拟获得。模拟的起点是通过宇宙微波背景获得的最古老的宇宙图，这张图显示了大爆炸380 000年后宇宙物质的分布。在模拟模型中，宇宙物质在引力作用下以加速运动向前移动138亿年。背景图片与3张局部放大图显示了模型所预测的应当在现今宇宙中发现的各种规模的结构。观察结果与计算机的预测结果相吻合，证明了包括暗物质存在理论的演化模型确实与宇宙进化实际相一致

在宇宙开始膨胀后，一旦可见物质冷却，它就开始在已经形成团块的暗物质附近积聚起来。因此，暗物质为星系的形成播下了种子。欧洲核子研究中心的宇宙学家亚历山大·阿尔贝（Alexandre Arbey）肯定地说道：“如果没有暗物质，这一切也有可能会发生，但可能需要更长的时间。”

模拟宇宙的形成

为测试这一假设，宇宙学家建立了宇宙模型进行模拟。一个成功的演化模型应该从我们拥有的380 000岁的宇宙图像开始，在模拟了138亿多年里宇宙的进化过程后，最终得出与我们今天所观察到的宇宙相似的结果。这样的模型是存在的，借助于计算机模拟（现有的强大计算能力已经使模拟成为可能），这些模型重现了在加速模式下宇宙的演化过程。有好几个视频已经证明这种处理是可能的，这些视频包括法国国家科学研究中心（CNRS）让-米歇尔·阿里米（Jean-Michel Alimi）的团队和普朗克实验团队的模拟视频，这两段视频在几秒钟的短暂时间里快速重现了宇宙在138亿年的演化过程，以及各种大型宇宙结构的形成过程。

图10是计算机数字模拟的宇宙结构图像。图片背景中的宇宙物质基本上呈均匀式分布，但如果我们将镜头移近，就可以看到许多大型丝状结构，如图中最上面放大图中所清晰显示的。图中最明亮的点对应于暗物质最集中的地方，并且是星系形成的“种子”。放得最大的图片显示了我们所看到的星系，例如通过哈勃太空望远镜所看到的星系的样子。不包括暗物质存在的理论模型无法产生这样的大型结构，由此暗物质的存在又多了一个论据。