梦幻星空宇宙：宇宙中处处存在的暗物质

2002-10-07 21:26:50 徐海光

宇宙中的发光星体不计其数。太阳是一个巨大的发光体，但它也仅仅是我们所在的星系——银河系中一个极其普通的成员。在银河系里，像太阳这样的恒星大约有一千亿个。和恒星一样，多数星系也不是孤立存在的。数十至数百、有时甚至是成千个银河系组成了一个个庞大的星系团、还有超星系团……所以，当天文学家说宇宙中所有的发光物质只占总质量-能量（质量和能量是等价的，可以用爱因斯坦著名的方程E＝MC2联系起来）的5％、其它都是暗物质和暗能量时，你是否会觉得难以想象呢？

　　每当谈到暗物质，一定有不少人会想起黑洞。作为一种异常致密的天体，黑洞在很小的半径里聚集着巨大的质量。它产生的引力场是如此之强，以至于连它自身的光线都无法逃脱。既然看不见它发出的光，这是否就是我们所说的暗物质呢？但是，单靠黑洞来解释宇宙中处处存在着的、数量巨大的暗物质是很困难的。因为如果要是有这么多黑洞的话，我们早就观测到它们了。所以，黑洞最多算得上是暗物质的一种类型。

　　暗物质的真正发现是在20世纪30年代。1932年，奥尔特通过分析恒星的运动速度，计算了太阳附近对这些恒星施加引力作用的物质的质量总和。结果，他意外地发现这一区域所有恒星的质量总和只占计算得到的引力质量的百分之三十到五十。换句话说，就是在太阳附近有一半以上能产生引力的物质是看不见的。一年后，瑞士天体物理学家兹威基借助于研究后发座星系团中成员星系的运动速度，得出了在该星系团里发光物质（包括星系和星系中的气体）只占次要地位的结论。兹威基认为，要维持一个像后发座星系团这样大的纯粹靠引力束缚的系统，必须要有多于发光物质10至100倍的额外物质，因为我们看见的那些星系所产生的引力过于微弱、不足以防止星系团瓦解。稍后，史密斯在室女座星系团等一批星系团里也得到了同样的结果。20世纪60至70年代，随着空间观测技术的进步X射线天文异军突起。借助于X射线轨道天文台，天文学家发现在星系团里还存在着多达星系质量2～6倍的气体。这些星系与星系之间的气体的温度高达数千万度以上，几乎只辐射X射线。但是，天文学家也发现，即使加上星系际气体的贡献，星系团里仍有大约80％以上产生引力的物质是看不见的。

　　现在我们已经知道，这种看不见的引力质量不止存在于太阳附近以及星系团之中。在各个尺度的天体中，天文学家都发现了暗物质存在的证据。比如，在许多外表极其类似于银河系的旋涡星系里，可以设法测量不同位置上恒星和气体绕星系中心旋转的速度。假定星系的大部分物质分布在核心及其附近，按照开普勒公式计算，应该是越在星系的外围，恒星和气体旋转的速度就越小。然而，观测到的情形完全不是这个样子。在许多星系的外围区域，旋转速度并不下降、有时甚至还有所上升。这说明在这些星系中，从里到外分布着数量相当可观的暗物质，它们产生的额外引力迫使恒星和气体的旋转速度加快。天文学家把这些看不见的物质称作暗晕。暗晕不仅在质量上远超过发光物质，而且它的空间分布范围也比后者大近5倍。

通常，我们习惯于用质量和光度的比来表示一个天体系统中不可见物质的多少。如果以太阳值为单位，质量光度比明显大于1就意味着系统中不发光的成分占优势。在距离我们230万光年的仙女座星系的核心，质量光度比大约是2倍太阳值。而到了外围区域，这个值要增大近10倍。这在其它星系里是类似的。质量-光度比随半径上升的趋势一直延伸到星系团的尺度上。在许多星系团和相当一部分星系群里，质量-光度比超过了100甚至达到1000倍太阳值以上。根据大量的观测，天文学家推断在我们所知的宇宙中有80～90％以上的引力质量是处于不发光状态的。

　　1998年以来，几项新的对遥远超新星以及宇宙微波背景辐射的测量使暗物质的研究更加戏剧化了。这些观测表明，宇宙的膨胀速度没有减低的迹象。这意味着必须存在一种我们还不了解的暗能量以抵消引力的减速作用。根据计算，在宇宙的总质量-能量中，暗能量占了65％，大约是暗物质（占30％，其余5％是发光物质）的2倍。按照能量-质量的等价性，也有人将暗能量归入暗物质。如此说来，宇宙中95％是暗物质。

　　宇宙中既然有这么多的暗物质和暗能量，那么它们对整个宇宙的演化就一定有重大的影响。模拟计算表明，如果没有暗物质参与，发光物质本身的质量并不足以使其聚集成星系和星系团。那样的话，宇宙里就只会有弥漫的气体和辐射；另一方面，尚不能排除暗物质或是其中的一部分是由某种未知粒子构成的可能。假如能证实这一点，粒子物理学和高能物理学将有突破性发展。虽然暗物质研究的地位是如此重要，然而70年来，暗物质的本质之谜一直是摆在天文学家面前的一个难题。为此，人们曾尝试过各种各样的假设。然而，还没有一种模型可以完满地解释暗物质之谜。所以，天文学家和物理系家还在坚持不懈地努力工作。几乎每年都有字典上查不到的新奇名字被发明出来以赋予暗物质粒子。