茫茫银河

苗千

银河系究竟有多大，宇宙究竟有多辽阔？这个问题已经超越了语言所能描述的范围。在生活中，人们往往无需去想象茫茫银河是一种怎样的存在，但有时跳脱出生活，试着去理解宇宙的辽阔，可能会让人更清醒地理解自己的存在。

一些学术名词早已进入了人们的日常生活，例如人们习惯于使用“黑洞”“光年”之类的词汇来描述生活中的场景，却很少去思考其天文学原意；遇到一些极大的数字时，人们称之为“天文数字”，只是很少去真正数一数，一串数字后面究竟缀着多少个0。人类已经拥有了理解整个宇宙的理论工具和探测工具，但是从另一个角度来说，该怎样去认识宇宙的浩瀚，以及随着人类对于宇宙的认识逐渐加深，宇宙的广阔和自身的对比又会对人类的文化造成怎样的冲击？这些问题才刚刚开始浮现出来。

宇宙的浩瀚远超人类的想象，对于动辄以数亿光年来计数的星系尺度来说，在银河系边缘的人类是否有能力认识整个银河系的全貌？正是因为银河系中存在着无数秘密，对于银河系的种种新发现，常常让天文学家们感到兴奋又困惑。

银河系中的暗物质

人类最初正是从宇宙观测中发现了暗物质的存在，几十年来物理学家们试图通过各种手段来研究暗物质的性质，但是对于这种充斥宇宙却又几乎不与普通物质发生相互作用的神秘物质仍然知之甚少，只能通过引力效应探测它的分布。正是因为缺乏有效的研究手段，人类对于暗物质的基本构成仍然限于提出各种理论模型的阶段。例如最流行的理论，认为暗物质普遍是由一种“大质量弱相互作用粒子”（WIMP）构成。也有科学家猜测，就像普通物质一样，暗物质也是由几种不同的基本暗物质粒子构成，它们彼此之间也会以一种未知的方式发生相互作用，释放能量。

这样的猜测，不仅会影响人类对于暗物质的研究，还可能影响到人类对于星系结构的认识。天文学家早就意识到，在银河系中存在着大量的暗物质。如果暗物质是由大质量弱相互作用粒子构成，彼此之间很少发生相互作用，那么暗物质将会因为引力作用的凝聚以类似于球形的状态聚集在银河系的中心，这也被称为“暗物质晕”（dark matter halo）。但如果确实存在不同的暗物质基本粒子，并且它们之间会发生相互作用，情况就可能会完全不一样。暗物质粒子之间的相互作用会释放能量，使其处于更低的能量状态。在这种情况下，就如同恒星和星际尘埃和气体形成一个旋转的圆盘状星系一样，原本想象中位于银河系中心的暗物质晕，就会变为一个旋转的“暗物质圆盘”而广泛分布在银河系中。

关于所谓的“暗物质圆盘”猜想，在科学界有不少的支持者，其中最为著名的就是哈佛大学物理学教授丽莎·蓝道尔（Lisa Randall）。她在2016年还出版了一本科普书《暗物质与恐龙》，在书中她将“暗物质圆盘”和地球上生物的周期性灭绝现象联系在了一起。她认为地球上的生物大约每3500万年就会出现一次大规模灭绝现象，这恰恰是因为地球大约每3500万年就会穿越一次银河系的圆盘（地球不仅围绕着银河系的中心运转，还做着上下反复穿越银河系圆盘的周期性运动），在这一过程中，又因为“暗物质圆盘”的引力作用，导致很多太阳系外围的小行星进入太阳系内部，因此地球遭受天外来客袭击的概率大大增加，进而导致了地球生物的周期性灭绝。

蓝道尔教授的理论看上去并非没有道理，但是其成立的基础在于银河系内确实存在有一个“暗物质圆盘”，而这个假设目前遭到了严峻的挑战。天文学家们一直试图用各种方式测算银河系内所有物质的总质量，而计算的结果显示很有可能并不存在这样一种“暗物质圆盘”——即使真的存在，它的总质量也不会超过银河系中暗物质总质量的2%，大部分暗物质仍是以暗物质晕的形式聚集在银河系的中心。

盖亚卫星（Gaia satellite）的最新探测结果让天文学家对于银河系有了更为直观的印象。欧洲空间局2013年12月发射的盖亚空间探测器在几年间对银河系进行了史无前例的精确探测。它分析了银河系中10亿颗恒星的运动速度和位置，这相当于银河系内恒星总数的1%。這次探测所获得的数据比人类此前的任何一次探测所获得的数据都要高出20倍以上。

加州大学伯克利分校的宇宙学博士生凯特琳·舒茨（Katelin Schutz）在分析了盖亚卫星发回的数据之后，基本排除了银河系内存在有“暗物质圆盘”的可能。她计算，在银河系圆盘的中间区域，即使存在有“暗物质圆盘”，其在每立方光年内的质量也不会超过太阳质量的0.4%，而如果它与地球上周期性的生物灭绝有关，即使是根据最保守的计算，其厚度起码也要达到测量结果的两倍以上。

但蓝道尔教授并不打算就此承认自己的理论失败，她认为舒茨的一些假设可能并不成立。例如舒茨在计算中假设“暗物质圆盘”呈均匀的稳定状态，但是蓝道尔教授认为它也有可能处于一种不稳定的波动状态，或者它并不是均匀分布，而是一个暗物质圆环。

脉冲星在哪里？

人类关于银河系的探索和迷惑远不止暗物质在星系中的分布形态问题。作为一个圆盘状的扁平星系，银河系的主要质量都集中在星系的中心区域，这个星系的秘密也大多集中在这个拥挤的区域。从2009年开始，芝加哥大学的天文学家丹·胡珀（Dan Hooper）就发现，从银河系的中心区域发射出大量的伽马射线，这让很多天文学家觉得难以置信，因为目前人类尚没有任何理论可以做出解释，这些高能量的射线如何在银河系的中心区域产生出来。而用于探测宇宙中反物质的阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer）在2014年进一步做出发现，银河系中的反物质数量超出人们的预测。不知从何产生的伽马射线与反物质，加深了人们对于银河系中心区域的好奇。

按照一些天文学家之前的预测，这些反常的伽马射线和反物质都可能与暗物质有关，有可能是暗物质粒子之间相互作用产生出了伽马射线，进而产生出反物质。问题在于，如果源头确实是来自暗物质的相互作用，从地球上探测的伽马射线应该有一致的方向，但是目前显示它们却有一个个不同的来源。

在这种情况下，天文学家只能暂时放弃关于暗物质作用的假设，转而倾向于另外一种伽马射线的发射源：脉冲星（pulsar）。脉冲星是一种具有极强磁场的高速旋转的中子星，具有极高的密度。这种天体在旋转的过程中，如灯塔一样向宇宙各个方向发射高能辐射。随着它周期性地转动，这种高能辐射有可能周期性地扫过地球，如果向着地球发射一种高能脉冲信号，也会因此被地球发现。

2015年，来自荷兰阿姆斯特丹大学和美国麻省理工学院的两组研究者，把银河系的中心区域分成一个个的小区域，然后精确分析高能伽马射线的来源。他们发现，在不同的小区域之间存在着巨大的差别——这种差别无法用暗物质相互作用的模型来解释，却可以通过来自于脉冲星的假设得到合理解释，比如说在不同的区域中，可能分布着数量不同或是亮度不同的脉冲星。

在这个基础上，天文学家们发现，在银河系中心区域分布着脉冲星的假设也可以解释在太空中出现的过多的反物质。旋转的脉冲星所具有的强磁场，可以进一步产生出电场，而电场又会将脉冲星表面的电子剥离出来，使其在强大的电磁场中加速。在加速过程中，这些高能量的电子会释放出具有高能量的伽马射线，而一些具有极高能量的伽马射线又会进一步转变为电子-正电子对，最终这些电子和正电子在经过漫长的旅途之后被地球所探测到。

问题在于，位于银河系边缘的人类几乎没有可能探测到这些电子和正电子的来源。电子和正电子都带有电荷，它们运行的方向会受到宇宙中电磁场的影响，因此人们无法追踪这些粒子的来源。相比之下，伽马射线在宇宙中几乎是沿着一条直线行进，人类可以通过高能伽马射线追索到它的源头。

在墨西哥高海拔水基切伦科夫伽马射线天文台（High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory）工作的科学家们，测量了两颗相对明亮又邻近的脉冲星“Geminga”和“Monogem”所发射的伽马射线。2017年5月，胡珀与来自俄亥俄州立大学、约翰霍普金斯大学的合作者们共同发表论文预印本《来自星系中心脉冲星的万亿电子伏伽马射线》（TeV Gamma Rays From Galactic Center Pulsars），说明“Geminga”脉冲星8%至27%的能量被转化为电子-正电子对，而对于“Monogem”脉冲星来说这个比例更高。这说明银河系中心的高能伽马射线和反物质产生自脉冲星的假设是成立的。

关于银河系中的高能伽马射线和正电子的来源似乎已经有了解答，但疑问依然存在——如果说在银河系中心区域的脉冲星制造了这些高能光子和带电粒子，那么这些脉冲星又在哪里呢？根据计算，要制造出如此之多的辐射和正电子，在银河系中心起码应该存在着50颗脉冲星，但天文学家目前只发现了寥寥数颗。是天文学家的理论仍然存在问题，还是有更多的脉冲星隐藏在银河深处难以发现？这只能寄希望于下一代更加灵敏的天文望远镜带来答案了。

孤零零的黑洞

不仅是在银河系的中心存在种种谜团，在银河系的其他区域，天文学家也常有意外的发现，这些发现大多与黑洞有关。

2018年1月9日，十位欧洲天文学家共同在《皇家天文学会月报》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）杂志发表论文——《在球状星团NGC 3201中一个可能的单独恒星级质量黑洞》（“A detached stellar-mass black hole candidate in the globular cluster NGC 3201”），报告了他们利用位于智利的极大望远镜（Very Large Telescope）上装载的多单元光谱探测器（Multi Unit Spectroscopic Explorer）所做出的发现。

天文学家们在位于船帆座（Vela Constella-tion）内的一个巨大的球状星團中发现了一颗恒星，这颗恒星看上去似乎是在以每小时数十万公里的速度孤零零地做着来回往复的运动，每167天循环一周。一颗恒星不可能围绕着虚空运转，如果在此区域没有任何发现，那么它只能是一个黑洞——经过确认这个黑洞的质量大约相当于4个太阳质量。这个发现也堪称新奇，因为这是人类第一次通过引力作用发现黑洞，而非像之前一样通过射电现象发现黑洞。这个黑洞表现得非常安静，并未向外发射任何辐射，也没有被炽热的气体所围绕，因为它已经处于不活跃的状态，停止吸收物质。

这个恒星级质量的黑洞对于天文学家研究星系的演化有重要意义。数万颗恒星聚集在一个球形区域，形成一个球状星团，这是宇宙中最早的恒星系统。人类已经在银河系中发现了超过150个球状星团，而黑洞与球状星团的关系则一直令人迷惑。天文学家相信，正是球状星团制造了大量的恒星级质量的黑洞，研究在球状星团内部的黑洞，有可能帮助天文学家理解星团和黑洞的形成及演化过程，并进一步理解银河系的演化过程。人类在2016年就探测到了在一个球状星团中，两个恒星级质量黑洞在合并过程中所发射的引力波，结合最新的发现，天文学家开始认为在球状星团内部的恒星级质量的黑洞可能比此前想象的更多。

维系整个太阳系和人类存在的太阳，只是银河系中数以千亿计的恒星中普普通通的一颗；而我们所在的充满着无穷无尽奥秘的茫茫银河系，也只是宇宙中数以千亿计的星系中的一个。在这样的描述中，数字超越了人类的想象力，似乎显得失去了意义。但正如爱因斯坦所说，宇宙最令人难以理解的地方，就在于它居然是可以被理解的。人类因为自身独特的思维能力，成为宇宙中最为独特的存在。作为目前宇宙中唯一已知的智慧生命，人类就是其自身的意义。

（本文写作参考了《Quantamagazine》和《Science》杂志的相关报道）

哈佛大学物理学教授丽莎·蓝道尔