暗物质和宇宙

· 天体物理学 · Jo hn G r ib b ln 著 烨等 译 荷兰天文学家简 · 奥尔特 (Jan Oo rt ) 于 30 年代 初首先意识到 , 解释我们邻近星球行为的最合适方式 , 即为设想有某种不可见的暗物质充斥于大部分空间 . 当时天文学家已经确认 , 银河系里的星球在各自的轨 道上运行 , 它们的轨道中心都离太阳很远 。而我们太阳 系处于银河系的边缘 , 故其运行轨道的三分之二脱离 银河系这个旋转着的星系的中心部位 。 天文学家对于 邻近的星球能够比较详尽地研究 , 以致发现这些夭体 并非只精确地局限在单个平面上的运行 , 而是当沿其 轨道绕银河系中心运行时还上上下下地摆动着 。 探究不明作用力 当然 . 看来奥尔特不可能观测到单个星球的上下 摆动 . 这种摆动花时几千年或几百万年 . 但依据下述两 点—其一是高于和低于银河系平面的星球的总体分布 , 其二是星球的运行速度 (由多普勒效应确定 )—作出结论 : 可见星球对于维持其各自位置只贡献了三 分之一的引力作用 。 此后 , 其他天文学家利用射电天文技术和别的技 术已经验明 : 在可见星球之间弥漫着大量冷的气体一尘 埃云 , 其质量与可见星球相当 。 然而即便如此 , 对于冷 云 , 连同星球一起 , 由此也只算得可解释银河系区域动 力学问题所需引力的总质量的三分之二 . 显然 , 还存在不明作用力 ,那末是由什么东西产生 的呢? 是暗物质 。对它又是怎样量度的呢?借助一个所 谓质光比 M / L 的数 , 便可量度这不可见的暗物质 。 例 如太阳 , 它有一个太阳质量的物质 , 产生一个太阳光的 光度 , 其质光比定义为 1 。 奥尔特推测 , 地球邻近区域 的质光比约为 3 。 之比。倘若星系在天空中的取向为其边缘对着我们 ,那 就可能测t 旋转圆盘的不同部位的速率 , 采用的方法 是取一狭缝 , 以得到圆盘在不同地方的像 ,并测t 离核 球不同距离处的多普勒频移 . 目前利用射电天文技术 测量圆盘的不动部分—氢气云的速度 . 而这种测 t技术已扩展应用于某些星系离核球的更远处 . 天文学家制作了一个遥远星系的圆盘里星球和尘 埃一气体云沿轨道的运行速度对其与核球之距离的曲 线 ;此类转动速度曲线通常是高对称的 。星系一边的星 球朝着我们运动 , 另一边的星球背着我们运动 , 二者凡 离核球等距处的速率相同 (测量时必须减去由宇宙膨 胀而引起的全部红移量) . 这一点并不奇怪 。 但天文学 家惊奇地发现 , 在核球的任一边 , 除核球外 , 圆盘上各 处星球的速率全都相同 . 若用夭文学家的术语说 , 即为 转动速度曲线极为平坦 二 “荷包蛋” 星系 80 年代的频谱技术已经足够先进 , 致使天文学家 可能仔细地观测像我们银河系一样的旋涡星系的转 动 。 旋涡星系的可见部分的中心有一个由星球集合而 成的凸出核球 , 四周被一张由星球物质构成的扁平 圆 盘包围着 , 二者的比例近似如 “荷包蛋 ”的蛋黄和蛋白 亮核和不可见, 天文学家假定 , 旋涡星系的绝大部分质t 集中于 光亮的中心核球处 , 那里有许多星球 .对此事人们感到 迷惑不解 。因为若果真如此 , 离核心远处的星球应比内 层轨道上的星球运动得慢 ; 这就是我们太阳系的外层 行星比内层行星运动得慢的缘故 (太阳系的绝大部分 质量集中于中心太阳处 )。 解释转动速度曲线的平坦性的最简捷途径是设想 存在大量暗物质 , 以巨大的不可见晕的弥漫形态围绕 着每个旋涡星系 。如果晕大致是球状的 , 那末当它旋转 时 ,它必牵引可见的亮星球 , 正如我们所观测到的结果 那样 。换句话说 ,旋涡星系的大部分质量不是像于核球 的亮星球 (或即使连带其圆盘里的星球 ) , 所以其质光 比至少为 5 。 从单个星系尺度上升到宇宙的更大结构层次就是 星系团 : 少数几个星系 , 或几百个 (甚至更多) 星系聚 集一起成为一个群 , 靠的还是相互间的引力作用 。星系 团的每个星系的运动速率也可借助多普勒效应来推定 (又当减去总的宇宙红移量) , 那末每个星系的质量可 由其光度估计 , 倘使我们假定它的质光比约为 l 的话 . . 天体物理学 · 群集的星系团 着手研究暗物质的第一个人乃是瑞士天文学家弗 里茨 · 兹维基 (Fr it : Zwi k y ) 。 与奥尔特发现宇宙中邻 近地球区域的暗物质迹象大约同一时间 , 兹维基开始 寻找更大尺度范围里存在暗物质的证据。 如果星系团 里的星系确实靠引力维系一起 , 而作为一个整体的星 系团就像一群蜜蜂那样在空中飞行 , 那末星系团里的 单个星系的速度必定小于星系脱离星系团的逃逸速 度 。 可是 , 当兹维基利用多普勒技术测量 “后发 ” 星系 团里的星系速度时 , 发现它们彼此间的相对运动要快 得多 , 它们是靠该星系团的所有星系的全部星球间的 引力牵引而维系在一起的 . 看来在很久 以前宇宙尚年轻 , 星系似乎须分离运 动 , 使星系团离解 . 再则 , 兹维基考察了其他星系团 , 也发现同样的情况 : 在那些星系团里星系都很快地作 分离运动 , 就凭我们所观测到的物质的引力作用而维 系在一起 。 经过几十年 , 尽管所有迹象不断地暗示 , 星系团包 含大量暗物质 , (其质光比高达 3 0 0) , 一些天文学家还 是对此颇感烦恼 。 30 年代 , 宇宙膨胀概念以及对甚而 已扩展超出银河系很远这样的事实的看法 , 是新的观 念 . 暗物质是否存在这件事 , 看来只是一个不重要的 谜 。 说其不重要 , 是指与勾勒一幅宇宙 (确切些说是星 系) 的起源和演化的总体蓝图相比较而言的 。 只是到 6 。年代 , 大爆炸模型才开始作为宇宙模型而确立 其地位 ; 也只是到这之后天文学家才非常注意探索解 释星系团中星系的动力学行为的细节 。 大爆炸理论的最初成功之处之一 , 在于似乎说明 了宇宙中应该存在多少物质 ; 此预言看来与我们所能 观测到的物质数量相当 。 著名的宇宙微波背景辐射是 由美国天文学家阿诺 · 彭齐亚斯 (Ai no Pen zi as ) 和罗 伯特 · 威尔逊 (R o be r t W ils o n ) 于 1 9 6 5 年发现的 ; 它 被解释为宇宙诞生时的火球形态的余烬 。 借助于这项 修正 , 大爆炸标准模型预言大爆炸时原始的氢必合成 为氦 , 其数量正为可用以解释为什么最老的星球 由 25 %的氮和 75 %的氢构成 。 然而 , 同样的计算也限制了可能以氢 、氦以及其他 熟悉的化学元素 (所谓 “重子物质” ) 形式存在的物质 总量 . 为使大爆炸火球中氦形成的精确条件与从目前 宇宙所测量到的氢 、氦丰度相适应 , 宇宙学家也已由此 而确定了宇宙中重子的总密度 。 若假定宇宙中所有物 质均由重子构成 (重子是构成我们人类 、地球上其他东 西以及所有亮星的同类基元) , 这密度就转换为宇宙作 为一个整体的质光比 , 其值显示为小于 10 0 。 80 年代初 , 这一点开始引起天文学家的关注 . 由 于望远镜及其观测技术的改进 , 得到观测证据 :对于星 系团 , 质光比至少为 300 。 但是现今很好确立并高度成 功的大爆炸理论指出 , 对于宇宙中所有重子来说质光 比必须小于 100 . 那末看来需要有大量额外质量 , 并且 明显的是那些额外物质非为重子所构成 。 后来 , 大爆炸理论因一个称为 “暴胀 ” 的概念的提 出而经历一种神秘的转变 ;此概念描绘了极早期宇宙 , 因暴胀而生成火球 , 火球中氢合成为氦 。暴胀论解开了 大爆炸模型的某些不解之谜 , 以致它尔今成为标准模 型的一部分 . 可是 , 暴胀论在解决一些老的宇宙学难题 的同时 , 又作出一个严格的预言 , 乃涉及到宇宙的密 度 ; 就是说 , 宇宙中必须有足够多的物质 , 才可凭其引 力使所有的星系和星系团维系在一起 。若确实是这样 , 那宇宙中就必须有那么多的物质 , 使总的质光比高达 1 0 00 左右 。 宇宙中物质必须至少为大爆炸产生的重子 物质的 10 倍 , 或许更多为 100 倍 。那些物质为何物 ?分 布在哪里 ? 物理学家已经知道有另外一种粒子对此会 作出贡献 . 为计算之目的 , 我们来看看重子物质中的电 子 , 其质量只有质子质量的千分之零点五 , 而宇宙中电 子总数与质子总数相同 , 因此电子对物质密度的贡献 是很微小的 。 但另外一种粒子大量存在 , 它们是中微 子 , 参予涉及弱作用的核反应 。 大爆炸标准模型预言 , 宇宙中必定有许多许多中微子 , 约为重子数的 l。, 倍 . 热暗物质和冷暗物质 直到 80 年代 , 按惯例中微子的质量还被认为等于 零 , 就像光子一样 。 一些粒子物理理论要求这样 , 但另 一些理论允许中微子可能具有很小质量 。 宇宙中既然 有那么多中微子 , 假如每个中微子的质量为几十电子 伏 , 那末它们的总体可作为使宇宙维系一起所需求的 全部暗物质 . 用实验直接测量中微子的质量是困难的 , 迄今尚 无结论 , 而 只能定出个质量上限 。 所以 , 确定暗物质是 否取中微子形式的最佳检验方式是 , 分析宇宙中星系 的分布图象 , 以鉴定若中微子具有质量而因此形成的 宇宙质量分布图象是否与此相吻合 。 然而这样的做法是复杂的 , 因为可能存在暗物质 的另外种类的候选者 . 粒子物理学家试图探讨一种统 一的物理学理论 , 这种理论假定宇宙中可能存在一种 或几种实验室中从未检测到的粒子 。 该假定与天文学 家的发现尚未挂起钩来 。 但研究宇宙最大尺度的天文 学家和研究最小尺度的粒子物理学家都要求物质有 “新” 的形式 。 粒子物理学提出例外粒子的其他候选物 。 某 · 天体物理学 · 些候选粒子的质量可与质子相比拟 , 但不与普通物质 相作用 , 以致还未被检测到 。这些假想的粒子往往被称 作 “弱作用有重粒子 (w lM P) ” 。 这类粒子通常又被称为 “冷暗物质 (C D M )" 粒子 。 所谓冷是指它有较大质量 , 以致在大爆炸时射出速度 比光速低得多。 与此相比 , 中微子的质量很小 , 以致在 大爆炸时射出速度很大 , 接近光速 , 所以被称作 “热暗 物质 (H D M )" 粒子 . 在过去 10 年左右时间内 , 夭文 学家的主要难题之一是确定天空中星系图跟两种图象 —二者分别与冷暗物质和热暗物质相关— 中哪一种更相似 。两种图象的主要区别来源于宇宙早期(指大 爆炸之后星球和星系形成之时) , 两类暗物质的影响不 同 . 热暗物质会冲平任何东西 , 以保持宇宙的平滑性和 均匀性 , 直至减慢了速度 , 才会容许不性重又滋 生 , 因为在减慢之前物质在较小尺度上的那样分布可 能已使其平滑化了 . 首先形成的结构或许在超星系团 的尺度上 ,超星系团形如片状和丝状 ,散裂了即成为星 系和星球 . 前后演化顺序 自然是大结构散裂成小结构 。 可是 , 在冷暗物质支配的宇宙中 , 大爆炸之后即便 形成小尺度上的结构层次 , 暗物质块吸引重子物质 , 宛 如水流进坑洼 . 这小结构层次由星球和 星系组成的基 底所构成 , 并聚集一起形成超星系团及其丝状图象 . 理论计算和电脑模拟二者有助于表明 , 由热暗物 质支配的宇宙中可能看到哪一类块状物 , 而由冷暗物 质支配的宇宙中我们又期盼哪一类块状物呢 ? 由热中 微子支配的宇宙被预言具有相当简单的结构 , 就像蜂 窝状网络 (虽然不很规则 )‘ 其中 , 亮星系仅以轮廓分 明的片状形式构成 , 并不完全是空的 . 至于 C D M 宇宙 的结构更丰富 、 更不规则 , 也更复杂些 , 但看起来更像 真实的宇宙 . 片状结构和丝状结构以错综复杂的方式 缠绕在一起 , 而其中的空域实际上不是完全的真空 。 C O B E 的发现 然而 , C D M 模型的最简并不能说明横扫天空 的星系分布的所有细节 , 需有某些附加的效应 以解释 宇宙的真实结构 。 关于是什么附加效应的讨论涉及到如下意见 : 引 力的本质可能须修改 , 由引力辐射产生的涟漪对于确 定早期宇宙中重子的分布情况会发挥效用 . 但这个难 题的最简解答可由对字宙微波背景辐射中涟漪的分析 得出 。 美国国家宇航局 (N A SA ) 的宇宙背景探索卫星 (C O B E ) 对背景辐射作了探测 。 在 COB E 检测到的涟漪图上 , 有一些大爆炸后约 30 万年时因物质与背景辐射最后的相互作用而在背 景辐射上打下的印记 。那时宇宙冷至 6 0 0 0K (这大致便 是今天太阳的表面温度 ) , 于是电子就能与核开始相结 合 , 形成稳定的电中性原子 , 原子与背景辐射没有显著 的相互作用 。 涟漪图伸展到甚至 比最大的丝状超星系团更大的 尺度范围 (从天空星系图上可见其踪迹 ) . 可是涟漪图 的几何结构对任何尺度范围都是一致的 (你若看一半 夭空 , 你得到与整个天空相同类型的图象 ;与四分之一 天空的图象相比亦然 , 如此等等) 。 并且 , 凭借亮星系 得出的图象也属同类 , 所以似乎没有理由认为这种具 有尺度不变性的图象是标志宇宙中物质 (目前的和过 去的) 分布的典型方式 。 为了作出天空中物质分布的精确图象 , 须将大约 三分之二的冷暗物质与三分之一的热暗物质混合起 来 , 并略去普通的原子物质 (即重子物质 , 其质量可能 为总质量的百分之一) . 按此 “混合暗物质”的解释 , 冷 暗物质聚结成块 , 其上只生长星系和星系团 , 而热暗物 质充斥于冷暗物质块之间的某些空域 , 由以弄平宇宙 各处的总密度 , 减小了块与空域二者密度的明显差异 。 原子物质(构成星球和星系的可见基元 )受到两类 暗物质的引力作用 , 因此我们目前看到的星系的泡沫 状分布表现出热暗物质和冷暗物质提供的二者平均了 的波动效应 。 英国的一个研究组已给出物质混合的精确数值 (但可能是稍徽过分乐观的估值) : 宇宙由 69 %的冷暗 物质 、 30 %的热暗物质和 l%的重子物质构成 , 他们甚 至算出要求中微子的质量为 7 . se V , 此为电子质量的 百分之 。. 0 0 1 4 。 令人愉快的是 , 该值低于迄今由实验 得出的中微子质量上限值 2山V 。 一个实验证实中微子的质量约为 7 ~ se v 左右 , 因此该实验结果被当作从实验室得到的证据 , 以致我 们可确认宇宙由什么东西构成 。 这或许意味着从整个 宇宙的测量中预言了最轻粒子的质量 (有别于质量为 零的粒子 ) 。 如今正着手对冷暗物质粒子的实验检测 。 因为理 论上还未说 明宇宙中须有多少这种粒子 , 故每个粒子 的质量的可能取值范围很大 ;但再则 , 若检测到该质量 取值的恰当范围的某些线索 , 便能有力地证明宇宙的 这个混合暗物质模型的合理性了 . 无论如何 , 下一步要 了解宇宙主要由何物构成这一点 , 还得在地面实验室 中寻找其证据 。 「N ew S c ien t谊 , 1 9 9 4 年 3 月 1 9 日〕