浩瀚宇宙的精靈

李　鑒

編輯柯妍

“江天一色無纖塵，皎皎空中孤月輪。江畔何人初見月，江月何年初照人?”唐代詩人張若虛的一首《春江花月夜》，即景生情，抒發了對宇宙的深沉疑問和對人事的深刻感悟，引起無數后人的共鳴。但是詩人卻不知道，當他凝視明月時，除了耀眼的月光外，至少還有一種看不見的粒子也在從他身上飛過，盡管他毫無察覺。同樣，在您閱讀這本雜志時，這種微粒也在悄無聲息地向您迎面飛來，它徑直地穿過您的衣服、身體甚至整個地球，而幾乎不會留下半點蛛絲馬跡。這類遍布于宇宙中的神秘物質，就是當代天文學中的研究熱點：暗物質。

暗物質(dark matter)是我們無法直接看到的物質的總稱。宇宙中的黑洞、極暗淡的恒星等，我們也無法看到，但它們在暗物質中所占的比例可以忽略不計，這里提到的暗物質并不包括它們。暗物質的性質極為特殊，它們不吸收光，就好像透明的一樣，同時它們既不發光也不反射光，所以在我們看來，它們唯一的顏色就是純黑色。暗物質粒子不帶電，與普通物質幾乎不會發生(除引力作用外的)任何相互作用，就算它正與我們擦肩而過，我們也一無所知。更奇特的是，有些暗物質的溫度高達1萬攝氏度左右，卻不會產生任何光、熱等輻射。它們唯一與普通物質的相同之處是，暗物質也遵循萬有引力定律，而且能與普通物質和平共處，組成星系、星系團等。所以，暗物質雖然不發光，但是它們的引力會影響發光物質的運動。通過探測發光物質的運動就能間接推斷出暗物質的分布情況，就好像看到水面上流動著的蓮燈就知道水流的方向一樣。

暗物質的性質是如此不同尋常，以至于人類從1933年第一次猜測到它的存在起，歷經70多年的艱難搜尋，直到2006年8月，美國天文學家在觀測星系團的碰撞時，才獲得了暗物質存在的直接證據，這也是在暗物質的概念提出73年之后，人類第一次直接探測到暗物質存在的證據和計算出暗物質的數密度及溫度，第一次直接目睹它的豐姿。

猶抱琵琶半遮面

小時候，在繁星滿天的夜晚，我們常常想：這么多星星，數也數不過來，該有多少啊?天文學家們也一樣，而且他們帶著這樣的疑問真就著手去數了。被譽為“近代天文學之父”的英國天文學家成廉·赫歇耳(公元1738～1822年，天王星的發現者)堪稱最偉大的數星者。從1784年起，赫歇耳開始利用望遠鏡進行恒星計數工作，在多達1083次的觀測中，總共數出了117600顆恒星(我們肉眼能見到的恒星只有6000多顆)。他據此估計這個恒星王國的總星數也許有若干億，后來的天文學家在數星星的基礎上，結合數學、物理知識建立起了銀河系模型，然后又從銀河系外推到了河外星系、星系團等大得超乎想象的龐然大物?，F在人們知道，原來銀河系里包含大約4000億顆恒星，而宇宙中至少有1000億個像銀河系這樣的星系，所以宇宙中至少有40萬億億顆星星!相當于在10的后面加上22個零，著實令人咋舌。(圖一)

然而隨著科學的發展，天文學家們愕然發現，就算把我們看到的、沒看到的所有這些星星都加起來，在宇宙總物質中所占的比例竟然也不過4％左右!還有96％的宇宙物質是我們無法直接看到的、不發光的物質，這其中包括23％的暗物質和73％的暗能量。原來充滿詩情畫意的夜空星座、千姿百態的地球萬象以及光澤萬物的明月朝陽，統統都是宇宙中的小配角!真正主導宇宙命運的竟是暗物質與暗能量這兩大“黑暗帝國”。

最早提出暗物質概念的是美籍瑞士天文學家茲維基(Fritz Zwicky)，1933年他在觀測后發座星系團里成員星系的運動時，發現我們看得到的物質(即發光的恒星、恒星以及星系間的介質等)，根本不足以把星系團吸引在一起，從而推斷星系團里一定存在著我們沒有看到的物質，而且它們至少要占到90％以上，所產生的引力束縛才能使星系團里的星系沒有分散開來。不過當時他的這一論斷并沒有引起重視。(圖二)

從1960年以后，不斷有關于暗物質的證據被發現，而人類真正直接觀測到暗物質則是在2006年。8月21日，一群美國天文學家在對子彈星系團(Bullet Cluster)進行長達幾個月的觀測后宣布“看”到了暗物質。子彈星系團是一種不同尋常的宇宙結構，它實際上是兩個星系迎面相撞并彼此穿越而形成的。兩個星系團以每小時近兩億千米的高速撞到一起，它們內部包含的發光物質由于相互間存在引力之外的相互作用力，在相互擠壓的過程中速度減慢了。但是兩星系團中的暗物質之間沒有這種作用力，它們并不減速，而是暢行無阻地直接穿過對方。結果暗物質跑到了發光物質的前面，于是每個星系團就分成了兩部分：暗物質在前，發光物質在后。暗物質與普通物質分離后就易于捉摸了，天文學家們最終通過其他的物理效應確認了這兩團暗物質的存在。(圖三)

暗物質終于在人們面前露出了冰山一角，也許這將成為這個王國現出原形的開端。

誰是宇宙的主宰

20世紀70年代，當天文學家們埋頭研究星系和星系團是怎么形成的時候，就發現如果宇宙中只有光子和普通物質，那么星系的形成時間將比現在大大延遲，這將導致直到今天銀河系都還來不及形成，更別說我們的太陽系了!(我們知道的實際情況是，宇宙的年齡約為137億年，銀河系在宇宙誕生后數億年就形成了。)那么，究竟是什么促成了宇宙中天體結構的快速形成呢?

宇宙在大尺度上是均勻的，只不過在“小”一些的尺度上存在著星系團、星系、恒星等結構，它們是原始星云在自身引力作用下收縮形成的。而均勻分布的物質不會在自身引力作用下發生收縮，因此在宇宙的早期，物質分布必然存在著微小的不均勻，而今天的星系、星系團等結構就是來源于這些不均勻的放大。然而正如前文所述，普通物質的總量太少，它們產生的引力不足以使這些不均勻的起伏迅速擴大并很快形成星系等結構。只有暗物質大量存在時，才能使得這些不均勻的“種籽”最終在它們強大引力的作用下迅速聚集成團，并在較短的時間內形成銀河系、太陽系乃至我們的地球家園。(圖四)

天文學家們已經證實，現在的宇宙處于加速膨脹之中。對宇宙膨脹負主要責任的是暗能量(它產生類似斥力的效應)，而暗物質和普通物質一起，是制約宇宙膨脹的因素(它們產生的是引力)。如果暗能量占上風，那么宇宙就會永遠膨脹下去，如果暗物質和普通物質占上風，總有一天宇宙會收縮成一點。有趣的是，宇宙學理論預言，目前宇宙中的物質總密度非常接近于膨脹與收縮之間的臨界值。但我們所觀測到的普通物質密度卻遠遠達不到這個臨界值，兩者競相差了數十倍!這一差距就是靠暗物質來彌補的。

何時揭開神秘的面紗

盡管關于暗物質的研究已經持續了30多年，而且近年來隨著科技進步和觀測手段日新月異，研究取得了很大進展，但暗物質的最終面紗仍然遠未揭開。我們推斷出了暗物質的性質，發現了它的存在蹤跡，但它到底是什么?至今還是天文學上懸而未決的重大疑案。

天文學家通常把暗物質分成兩類，即：熱暗物質與冷暗物質。熱暗物質是由高速(相對論速度)的粒子組成，中微子就是典型代表；冷暗物質則可能包括WIMPs(弱作用大質量粒子)以及axion(軸子)等等奇妙的基本粒子。WIMPs中的中性子(neutralino)，是一種粒子物理學家根據理論模型提出的粒子。如果暗物質是由中性子組成的，那么當地球穿過太陽附近的暗物質時，地下的探測器就能探測到這些粒子，不過目前人們還沒有探測到它。軸子(axion)是一種非常穩定的微小粒子，質量只有電子質量的數百萬分之一。人們現在已經建造了軸子探測器，探測工作也正在進行。除此以外，科學家們還提出了許多暗物質組成成分的候選體，我們就不一一介紹了。

在所提出來的各種暗物質候選粒子中，目前只有中微子已被直接探測到，中性子和軸子還僅僅存在于理論推理中。中微子是熱暗物質的代表，可是近幾年的觀測表明，雖然中微子數量巨大，但質量太小，它們在暗物質中所占的比例可能小得微不足道。大多數科學家相信，暗物質是多品種的，絕不止一種。

由于暗物質不會發出任何光線，因此目前所有的觀測手段都無法直接拍攝到它們的圖片。2007年1月7日，美英天文學家宣布，他們繪制完成了首張宇宙暗物質的三維分布圖。根據他們繪制的圖，能判斷出暗物質在宇宙中的位置和大小，甚至包括它們形成的具體時間。可以預見，這對于人類研究宇宙的起源以及未來演化，將具有極為重要的意義。(圖五)

相關資料

在目前人們已知的自然界四種基本力(強作用力、弱作用力、電磁力、引力)當中，引力相對而言是最微弱的。強作用力與弱作用力的有效范圍都極小，在亞原子尺度上就已經失效了。電磁力比引力強得多，例如，氫原子當中的電子與質子之間電力也有引力，但是電力的強度大約是引力的1040倍!雖然如此，由于電、磁都有兩極，可以產生吸引力，也可以產生排斥力，因此在大尺度下，常是互相抵消的。這么一來，在太空的廣大尺度之下，主宰幾乎一切事物運動的力就只有引力了，“小”到行星的繞日運動，大到星系的空間運動，無不都是受引力操控的。

(本文由北京市科學技術研究院北京天文館提供)