隐藏的宇宙

文|张唯诚

隐藏的宇宙

文|张唯诚

弗里茨·兹威基声称，在星系团中，见的星系只占总质量的极小部分，而绝数星系是看不见的。在兹威基说出这段时候，并没有多少人相信他……

“古尔德带”之谜

19世纪中叶，英国天文学家约翰·赫歇尔注意到我们所处的星球实际上被一圈明亮的恒星环绕着，但赫歇尔并没有很深入地研究这个现象。1874年，美国波士顿出生的本杰明·古尔德也发现了这个现象，从此这个明亮的恒星带被许多人所知道，并引起了广泛的关注。后来人们便称这个恒星带为“古尔德带”。在这个带上，我们能找到许多著名的星座，包括猎户座、天蝎座、南十字座、英仙座、大犬座、船帆座、人马座等。这是一个很大的结构，它和银河系之间有一个大约20度的倾斜角，那里有几千颗大质量恒星和大约一百万颗低质量恒星。最重要的是，这些恒星都与银河系中的其他恒星不一样，它们仿佛是独立形成的。

在银河系里，恒星的形成并不是杂乱无章的，它们多集中在绕银河系中心转动着的旋臂上，在那里，气体分子在相对密度较高的地方形成大块的分子云，然后又逐渐聚集成恒星。然而“古尔德带”却并不在那样的旋臂上。欧洲南方天文台的费尔南多·科默研究“古尔德带”已超过30年，他说:“那里的恒星一定是被某种局部力量‘点燃’的，这是一个剧烈的过程。”

在星系的尺度上，最容易让人想到所谓的“剧烈的过程”应该是一颗恒星的爆炸，这种爆炸通常发出极为明亮的光，乃至于使那颗星看上去比一个星系还要明亮，它产生的冲击波进入邻近的分子云中后便能触发恒星的形成。然而对于“古尔德带”，这样的爆炸却无力解释，因为爆炸的恒星是将能量释放到四面八方的，很难想象这样的爆炸能在距银道面（银河系的主平面）如此遥远的地方催生出一个恒星带来。15年前，科默曾经认为他找到了答案。他设想，星系间的一股气体分子云向银河系发生了坍塌，这种坍塌也许冲击了另一块巨大的分子云，从而产生了冲击波并引发了“古尔德带”的形成。

这个假设很有道理，科默认为，这片坍塌的分子云只要以某种适当的角度进入银河系便能形成“古尔德带”和银河系之间的那种特有的角度。然而问题是，即使如此，它也不可能产生足够的力量催生“古尔德带”中如此之多的恒星。于是，这个设想最终并没有被认可。

是什么东西让天文学家们看不到却又认定它们的确存在，并且拥有足够大的力量影响天上的群星呢？科学家的回答是——暗物质。他们说，暗物质有一个特性:它们拥有引力作用却不吸收和释放光子，所以它们是不可见的。在引力的作用下，暗物质很容易聚集成团，这就是“暗晕”。“暗晕”吸收普 通物质，启动恒星和星系的形成，在星系的产生和发展中扮演着至关重要的角色。但它们是如何催生了一个如此壮观的“古尔德带”和它里面如此众多的恒星呢？

原来他是对的

在暗物质这个概念出现之前，科学家们在描述宇宙时，面临了难以回避的尴尬。他们发现，宇宙中普通物质的引力并不足以让宇宙发展成现在这个样子，它应该还处在相对生涩的阶段，很有可能是还没有成熟的星系。1933年，一位名为弗里茨·兹威基的人忽然声称，在星系团中，看得见的星系只占总质量的极小部分，而绝大多数星系是看不见的。

暗物质这个概念就这样被提了出来。在兹威基说出这段话的时候，并没有多少人相信他，人们只觉得惊讶和可笑。兹威基是一位瑞士科学家，尽管他在科学上多有建树，但在今天他似乎也并不是一个家喻户晓的人物，与那些科学巨星如爱因斯坦、哈勃、奥本海默相比，他的身上并没有超级巨星的光辉，这倒有点像他发现的暗物质。按照兹威基的说法，我们看到的宇宙实际上只占整个真实宇宙的不到10%，而另外90%以上的宇宙我们都完全看不见，这似乎太荒唐了！不过兹威基所持观点却是有根据的，因为他发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，这样的运动速度必须有相应的引力才能予以控制，否则星系团中的各个星系根本无法聚集在一起。兹威基通过对后发座星系团的计算表明，仅靠这个星系团可见部分的质量根本无法维持星系团的运动，除非把这个质量扩大160倍。这就是说，如果只计算可见的部分，那么星系团的运动就无法解释了。这是怎么回事呢？兹威基认为，一定有某种东西在那里发挥作用，但我们看不见。依照测算，暗物质在宇宙中应该能起到下列几种重要的作用：首先，它推动星系的旋转但却不会让星系分崩离析；其次，它能把众多星系束缚在一起，使星系聚集成团；最后，它能促进星系的形成和发展，对星系和星系团的成型产生重要的影响。

兹威基于1974年去世，他始终没能说服科学界相信他的暗物质理论，也没有在有生之年里看到支持这种理论的确凿证据。直到他去世4年后的1978年，人们才在精确的测算之后得到了一个确切的、令人信服的结论，这个结论无可辩驳地显示，宇宙中星系的总质量确实远远大于星系中可见星体质量的总和。这成为暗物质理论提出后获得有力支持的第一个证据。而这以后，更多的观测也使暗物质理论得到了广泛的认可。2006年8月，美国亚利桑那大学的天文学家宣布说，他们用“钱德拉”X射线太空望远镜观测到了船底座两个星系团相互碰撞的景象，并发现了暗物质确实存在的证据。观测结果显示，当这两个星系团发生碰撞时，其中的普通物质由于相互排斥、相互挤压而出现减速，而暗物质则由于不会产生相互排斥的现象而继续保持原有的势态不受影响地彼此穿过。于是，炽热的普通物质和暗物质被彼此分离开了，速度快而跑在前面的是暗物质，速度慢而跟在后面的是普通物质。通过X射线波段，人们看到了与可见光波段截然不同的景象，而在可见光波段，科学家们也发现了明显的“引力透镜”现象，从而确定了暗物质的存在。

扭曲的星系

所谓“引力透镜”，就是恒星发出的光在途经某个区域时，因被大质量物质吸引而发生的扭曲现象。这种大质量物质甚至可以是一个看不见的暗星系，它能将背景星系的像扭曲放大成一个模糊的光弧，这种弧为天文学家们确定星系团中的质量提供了依据，从而使他们能够计算出星系团中存在多少暗物质。使用这种方法，科学家们已初步估算出了普通物质、暗物质和暗能量在宇宙中所占的比率，目前普遍认可的一种看法是，构成宇宙质量的主要部分是暗能量，约占宇宙总质量的73%，暗物质占宇宙总质量的23%，剩下的4%才是我们看得见的普通物质。

这就是说，每一个星系都有可能隐藏着大量的暗物质，而我们可见的发光部分则很可能被许多暗物质环绕着。依照这种理论，我们的银河系应该也不会例外。美国加利福尼亚大学的科学家约克·戴曼德使用超级计算机模拟了银河系的物质分布，他说：“将所有暗物质加在一起，你会得到一个庞大的数据。”戴曼德的工作为澳大利亚新南威尔士大学的科学家肯基·贝基的研究带来了很大的启示，这位科学家认为，我们的邻近伴星系大麦哲伦云一定也是如此。大麦哲伦云离我们只有1.86万光年，乍一看，它的形态似乎不规则，不过仔细地观察，你会发现在靠近它中心的地方有一个棒状的结构，那是古老恒星的所在地，这种情况表明大麦哲伦云曾经是一个“棒旋星系”，可是，为什么那个“棒”明显偏离了这个星系的中心位置呢？一种解释是银河系的引力逐渐改变了大麦哲伦云的形状，然而计算机的模拟显示，这样的改变并不足以使它的“棒”发生偏移。贝基认为，“棒”的偏离很有可能是与一片“暗晕”物质发生了碰撞的结果。他发现，只要让暗物质团块的质量达到太阳质量的一亿倍，或者相当于大麦哲伦云总质量的百分之一，他就可以在计算机上重现“棒”的偏离，不过偏离的过程并不是“棒”在移动，而是“棒”周围的恒星发生了移动。贝基说：“这个结果很明确地显示，孤立的矮星系在与暗物质的相互作用中能发展出一个偏离中心的‘棒’。”

事实上，星系扭曲的现象并不罕见，自20世纪五六十年代起，天文学家就发现银河系的形状变得越来越不规则，而那时科学家们的解释是，这种扭曲是由内部恒星的自身活动引发的。然而，最近几年科学家们又提出新的假设。他们认为，包括大麦哲伦云在内的银河系伴星系才是导致银河系发生扭曲的原因。这些科学家说，尽管伴星系可见物质的质量较小，但它们却被大量的暗物质环绕着，这样它们便具有了影响银河系的强大力量，这些暗物质会不断地给银河系的银盘施加扰动，于是便造成了银河系形状的扭曲。

宇宙的新面貌

贝基认为，既然在星系中，暗物质有如此巨大的力量影响星系的形态，那么“古尔德带”在它们的冲击下形成那种与银河系之间的倾斜就很有可能了。贝基的模拟实验结果表明，当暗物质团块达到了太阳质量的1000万倍，且穿过一团巨大的分子云时，它会将那些气体带到当年发生碰撞的中心地带，从而引发大量恒星的形成。当它抵达碰撞地点的另一端，则会导致分子云的倾斜并且引发它们旋转。贝基认为，这就是“古尔德带”形成的原因。

由此看来，暗物质在许多天文学家的心目中是毫无疑问地存在着了。然而问题是，迄今为止，并没有人真正捕捉到它们的粒子，因此人们也不能确定它们究竟是由什么构成的，于是捕捉暗物质粒子便成了科学界的一个重要课题。从目前的情况看，捕捉暗物质粒子尽管有了多种方法，但摆在科学家面前的探索之路却似乎并不平坦。人们一方面期待直接探测到暗物质在碰撞中产生的信号，事实上，这样的信号也多次被科学家们探测到，但要证实它们确实来自于暗物质粒子则往往同样并不容易。另一方面，科学家们也希望在强大的粒子加速器中将暗物质粒子“创造”出来，这类加速器可以将亚原子粒子加速到接近光速，然后让它们相互碰撞，从而模拟早期宇宙的环境，而这样的撞击事实上也已经实现了。科学家们正在期待粒子物理学的崭新突破。

尽管有关暗物质的谜团还没有被最终解开，但人类在对暗物质的研究中还是经历了从假设、印证到搜寻暗物质粒子的艰难探索过程，这个过程促使人类对宇宙的认识发生了重大变化。我们终于惊讶地发现，我们对一个隐藏着的宇宙几乎是一无所知。有科学家认为，最近的十年是暗物质的十年，是人类认识宇宙的一个重要时期，而不久的将来，随着科学，尤其是粒子物理学的飞速发展，突破也许即将到来。到那时，宇宙将以完全不同的面貌呈现在我们面前。