梦幻星空宇宙：追逐暗之星辰－－暗物质、星系及其他+

2001-10-29 15:37:42 Stuart Clark
 
　　在银河系那由千亿个太阳照亮的的圆盘之外，幽深冷暗的虚空之中，隐藏着无数鬼魂一样的暗星系。它们由不可见的奇异物质构成，恒星或星际尘云的含量极少甚至没有。与那些闪亮在宇宙中的航标灯不同，我们几乎无法把它们与空间的黑暗背景区分开来。

　　科学界目前普遍认为，宇宙中约有90％的物质以暗物质形式存在，它们在电磁波谱的各个波段都是不可见的。普通可见星系中就有大量的暗物质，此外应当还存在许多完全由暗物质构成的暗星系，其数量与普通可见星系的数量之比可能高达100比1。

　　一些天文学家正致力于寻找暗星系的踪迹。但也有科学家警告说，这种纯粹是浪费时间，因为暗星系与鬼魂一样只是想象力的产物，并不真正存在。徜若如此，我们关于星系形成的理论就全盘错误，从而必须改变对宇宙间物质构成的看法，甚至重写宇宙的诞生史。

　　通常认为，星系是由大爆炸后遗留下来的气体产生的。当某些气体团块比别处更致密时，其引力就比别处更强，会吸引周围的更多物质，最终成长为星系。不过，仅从普通气体物质产生的引力来看，星系形成的过程应当极为缓慢，很可能到今天也没有一个成形的星系。于是宇宙学家被迫假定，存在某种看不见的物质，它的数量比普通物质多出许多倍。这不仅能解释星系的形成，还能解释为何星系能如此高速旋转而不致于崩解——每个星系都被一圈暗物质所包裹，产生足够的引力来抵消旋转的作用，使星系不会分崩离析。

　　寻找大一统理论的物理学家们曾经预言过一种粒子，称为“大质量弱相互作用粒子”（ＷＩＭＰｓ）。它被天文学家看作是暗物质的重要人选。这种假想中的奇特基本粒子被认为是在大爆炸的熔炉中与普通粒子一道产生的，它只参与弱相互作用和引力作用，不参与电磁作用和强相互作用，自然也不吸收或释放光子，因此是不可见的。天体物理学家通常认为，这种粒子是“冷”的——质量很大，运动缓慢，倾向于聚结成团。

　　根据这一理论，正是这种容易聚集的性质促成了星系的诞生。回溯到天文学家们称为黑暗年代的时期，即宇宙诞生之后10亿年左右，冷的暗物质在引力作用下聚集成为巨大的团块，称为“暗晕”（Halo）。然后它们再吸引普通物质，在内部产生恒星，变成我们能够看到的普通星系。

　　问题在于，根据理论推算，宇宙间还必须存在极多的小星系。它们是星系成长过程中的失败作品，未能形成巨大的椭圆或旋涡星系。天文学家已经发现了两类这样“长不大的星系”。其中一种是球形的，称为“球状矮星系”；另一种是形状不规则的“不规则矮星系”。两种矮星系的质量都大约为太阳的1000万倍，即银河系质量的万分之一。不过这两种矮星系的数量太少——暗物质理论的预期值要比这多十几甚或上百倍。

　　为了挽救这一理论，天体物理学家假设，确实还存在大量的小型星系，只是我们看不见它们。不知何故，大多数的小型暗晕都未能产生恒星，我们发现的矮星系是那些非常稀少、百中无一、由于某种原因而产生了恒星的那些。然而究竟是什么原因使得剩下的大量暗晕中未能形成恒星？对此，暗物质专家们有两种说法。一派认为有某种原因阻止普通物质进入暗晕；另一派则认为物质进入暗晕倒是不成问题，但未能形成恒星。

　　例如，剑桥大学的Neil Trentham相信， 暗星系是未能吸引到普通物质的暗晕，因为它们生得太迟，错过了黑暗时代争食普通物质气体的大潮。要形成普通的星系，暗晕必须在普通气体物质充足的早期宇宙中成长。如果一个小暗晕在大爆炸之后50～100亿年才产生， 此间星系间的气体已经由恒星的光芒照亮、加热，运动得如此之快，暗晕产生的引力不足以将它们拉进来。

　　Durham大学的Frazer Pearce则认为并非如此： 即使在黑暗时代结束之后许久，星系之间仍然存在足够多的冷气体可供俘获。天文学家已经在星系间发现了一些较冷的气体云的踪迹，它们因为吸收了某些遥远明亮天体（如类星体）发出的光而被发现，但本身的温度仍然相对较低——大约２万Ｋ，捕获它们并不需要很强的引力。那么，如果小型暗晕确实捕获了普通物质气体，为什么其中并没有产生恒星呢？

　　Pearce猜想，小星系可能经历着一种短暂繁荣与漫长萧条的循环。当小型暗晕形成时，它们吸引到一些气体，恒星开始在其中产生。但这些恒星很快就耗尽了它们的燃料，在诞生之后几百万年左右就产生超新星爆发，不仅自己炸得四分五裂，还加热了星系中剩余的气体物质，将它们抛向四面八方。几次超新星爆发就足以把气体加热到能够逃逸暗晕的引力作用，回到星系之间的空间，使暗晕里无法再产生恒星。热气体弥散之后，会逐渐释放出多余的能量而变冷，重新被暗晕拉回去，开始新一轮的繁荣与萧条。每个恒星形成的短周期也许只有几百万年，却要继以长达100亿年的冷清时代。

　　这一理论能够较好地解释为何能被观察到的小星系如此之少，但也有人对它不满意。华盛顿大学的George Lake 就觉得，关于超新星爆发能把气体从星系中刮出去的想法不大靠得住，并没有这样容易的事情。他认为暗星系仅仅是一种幻想，现在的问题根本不是用目前手段无法探测到，而是它们根本就不存在。

　　到底有没有暗星系？解决纷争的惟一办法是找到它们。天文学家想了一些办法来捉拿这些鬼魂，并自认为已经抓住了一点蛛丝马迹，有助于缩小搜索范围。例如，一个名叫UGC10214星系里有一股强大的、向外流的物质流，仿佛受到附近一个大质量天体的强烈引力作用。但当天文学家把目光转向这股物质流的终点时，却发现那里什么也没有。这个看不见的目的地也许就是一个暗星系，物质流正是两个星系相撞时的表现。还有一个叫NGC2915的“蓝致密矮星系”，它是由非常密集的恒星构成的集团，其中新恒星形成的活动十分剧烈，气体物质的含量也特别高。天文学家认为，这个星系至少有95％的质量属于暗物质，暗物质产生的强大引力使得气体云格外密集地坍缩，有利于形成恒星。

　　如果暗星系里含有一些普通气体物质或死亡的恒星，人们还可设法用常规手段探测它。例如褐矮星（流产的恒星）可能潜藏在暗星系里缓慢地发射红外线，可利用红外设备来观测。徜若暗星系里根本不含普通物质，搜寻工作就格外困难。那样，唯一的办法可能就是观测“引力透镜”现象。根据广义相对论，光线在经过巨大质量的天体附近时会发生弯曲，如果在地球与一个遥远星系之间存在一个看不见的暗星系，这个暗星系将起到透镜的作用，将处遥远星系的像扭曲、放大成为模糊的光弧。然而目前分辨星系图像扭曲程度的技术还太粗糙了，不足以用来确认暗星系的存在。

　　此外，如果科学家在诸般努力过后仍是空网而回怎么办？

　　一些科学家提出，关于星系形成的常规理论需要修正。宇宙中充满的不是冷的暗物质——不过也不是热的，而是不冷不热的温吞型暗物质。粒子越重，就越不容易运动得快，也就越“冷”，容易聚成团，例如上面我们提到的、假想中的WIMP9（虽然意大利和中国科学家声称在试验中发现了WIMP9存在的迹象，但有关结果不太靠）。与此对应，粒子越轻，就越活泼，因而越“热”，比方说人们目前还不能确定它有没有质量的中微子，就可以算是一种热的暗物质。不过中微子太轻、太活泼了，实在不能指望它们能安分下来聚集成为星系。科学家为此提出一种“暖暗物质”的折衷方案，由中等大小和速度的粒子构成，一个暖暗物质粒子的质量大约为10^(-33)千克，即质子的百万分之一。它们能稳定聚集成像普通星系那么大的团块；如果团块太小，引力效果就不足以抓住它们。假如暗物质中占主导地位的是这一种，就不会产生那么多的小星系，与现实相符。至于这种粒子到底是不是存在，对粒子物理学家们来说是不成问题的，只要把有关理论修正一下就好了。

　　但是反对暗物质理论的科学家认为，这种修正是无用的，暖暗物质理论虽然解决了小星系的问题，却还不能解释为什么宇宙间存在的“小星系团”——一种比星系大、比星系团小的结构——没有理论预言的那么多。与其修修补补，不如考虑我们对宇宙早期形成过程的理论是否存在某种根本错误。

　　宇宙要变成现在这个样子，能够形成大大小小的天体，当初的气体就不能是完全均匀的，必定存在某种密度差异。宇宙学家认为，这种差异是在大爆炸开始之后极短的时间内由量子涨落造成的，所谓的“暴胀”过程将这种涨落放大，成为气体密度的差异。但涨落幅度如何？通常的假设是，涨落呈现一种分形结构，使得宇宙在小尺度上与大尺度上的结构是一样的。

　　这种想法看上去很不错，但是反对暗物质理论的专家认为，分形结构并不能解决宇宙间缺少小型星系和小星系团的问题。如果假设当初的涨落模式中还存在着一些显著的峰值——就像一首曲子不仅仅有和声还有音调——或许能解决这两个问题。涨落谱上的强峰意味着早期气体密度在能够形成星系的尺度上有着更大的差异，这样，普通气体团块的引力就强到足以很快地形成星系，不需要暗物质的帮忙。至于星系为什么能够迅速旋转而不崩解，也许可以从其他方面寻找答案，也不需要暗物质参与。例如，有人认为牛顿引力理论在大尺度上应该略有不同，引力在非常的遥远距离上比常规理论预期的要强一些，足以使星系稳定存在。

　　假如是这样，人们就得把暗物质的理论整个儿抛弃，鬼魂未见天日便须消失在阴影中。然而事实究竟如何？谁知道呢。

 
 
NewScientist 04.21