暗物質所改變的宇宙格局

苗千

暗物質冷酷，神秘，又至關重要，它的質量是宇宙中普通物質的五倍多，如此說來暗物質才是宇宙中更為普通的物質，而宇宙中的星系更是需要暗物質的引力作用才能夠結合在一起。但是暗物質究竟怎樣運動，如何發生相互作用，對整個宇宙的演化有著怎樣的影響？最近天文學家們的一些觀測結果可能會改變人類的宇宙模型，并且更新人類對于暗物質的認識。

人類最初就是利用宇宙觀測中的引力作用發現了暗物質的存在。現在天文學家們依然要通過引力效應，利用“引力透鏡”效應，也就是暗物質的引力對于經過光線的扭曲作用來間接探知暗物質在宇宙中，尤其是各個星系內部的分布狀態。此前天文學家們普遍認為，暗物質與普通的可見物質因為相互之間存在引力作用，所以在宇宙中的分布狀況應該大致相同。但是另一方面，也始終有人提出一個重要的問題：暗物質之間是否也會和普通物質一樣發生除引力作用之外的相互作用？

2015年4月，英國杜倫大學的天文學家理查德·梅西（Richard Massey）與合作者們在《皇家天文學會月報》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）雜志發表論文《與Abell 3827星系團10千秒差距核心內4明亮星系相關的暗物質行為》（The behaviour of dark matter associated with 4 bright cluster galaxies in the 10kpc core of Abell 3827），匯報了他們利用位于智利的屬于歐洲南方天文臺的超大望遠鏡（Very Large Telescope）和位于地球軌道上的哈勃空間望遠鏡對于星系團Abell 3827進行觀測的結果。

梅西與合作者們觀測了在星系團中四個亮度相似的橢圓形星系相撞的過程。在這四個星系中，他們利用引力透鏡進行計算，發現起碼有一個星系中的暗物質與普通物質發生了分離，兩種不同物質之間的距離達到了5000光年以上。這還是人類第一次觀測到一個星系中的暗物質與普通物質分離開如此遠的距離，這個現象可能說明，在暗物質之間，存在著一種既不是引力作用，也不同于普通物質之間相互作用的獨特相互作用，或許可以先把它命名為“暗作用”（dark force）。可能正是因為星系中的暗物質與經過的一個星系中的暗物質發生了相互作用而減速，進而與普通物質發生了分離。

梅西評價說：“我們以前認為暗物質只是停在那里做自己的事情，只會受到引力作用。但是如果暗物質在碰撞過程中速度減慢，這可能是發現暗物質也存在著豐富的物理學的第一個證據——在我們周圍還有一個隱藏的宇宙。”

可能還有一個“隱藏的宇宙”？這個想法根據人類目前掌握到的證據可能還距離太遠。如果以普通物質類比暗物質，物理學已經有了標準模型來描述各種基本粒子，基本粒子之間除了引力之外的相互作用都由玻色子進行傳遞（理論上傳遞引力作用的引力子尚未被發現）。而目前物理學家們傾向于認為構成暗物質的只有一種性質并不活躍的大質量弱相互作用粒子，是否在暗物質之中，也存在著一種“暗玻色子”，以傳遞暗物質粒子之間的（卻又與普通物質世界毫無關聯的）相互作用？

以普通物質世界來類比暗物質世界尚缺乏根據，哈佛大學的物理學家，暢銷書《恐龍與暗物質》的作者麗莎·藍道爾（Lisa Randall），針對暗物質之間可能存在的相互作用，提出了另外一種模型。她認為暗物質粒子之間的相互作用可能會強于暗物質粒子與普通物質之間的相互作用——在天文學觀測中一些矮星系的結構與理論預測總是存在著偏差，可能就是由暗物質粒子之間的相互作用造成的，暗物質粒子之間或許存在著某種斥力使它們傾向于平均分布;她也提出了“部分相互作用”的可能，暗物質粒子只與其他暗物質粒子的一部分發生相互作用，還有另一種可能就是只有一部分暗物質粒子會與普通物質發生相互作用。

暗物質粒子之間究竟存在著怎樣的相互作用，這個問題影響了宇宙發展的進程以及人類對于宇宙發展方式的理解。隨著人類對暗物質理解的不斷深入，有可能需要不斷修改宇宙發展的模型。因為發現暗能量在推動宇宙加速膨脹而獲得2011年諾貝爾物理獎的約翰·霍普金斯大學的物理學家亞當·里斯（Adam Riess）通過兩種不同的“標準燭光”來更加精確地測量宇宙中的距離，利用哈勃空間望遠鏡對于宇宙中的18個星系進行了數百個小時的觀測，以前所未有的精度對宇宙膨脹的速度（哈勃常數）進行測量。此前天文學家們觀測到的宇宙膨脹速度與宇宙模型中的理論值總是存在著差異，但是因為實際測量結果存在著比較大的不確定性（測量天體之間的距離誤差通差都比較大），因此理論與實際之間的差異此前并沒有引起物理學家們太多的關注。里斯的測量把哈勃常數的精度提高到了前所未有的階段，其不確定性從3.3%降到了2.4%。里斯在2016年4月5日提交的論文《對于局部哈勃常數2.4%的判定》（A 2.4% Determination of the Local Value of the Hubble Constant）中報告了這一進展。在這種情況下理論與實際之間存在的差異已經無法繼續被忽略，天文學家們開始意識到，人類建立的宇宙模型有可能需要修改。

人類建立起宇宙的數學模型，其數據主要來自歐洲空間局（ESA）的普朗克衛星在幾年前對于宇宙微波背景輻射的測量結果。人類以此描繪了早期宇宙，并且演算出了宇宙演化至今的形象（盡管人類對于哈勃常數和宇宙微波背景輻射的測量都可能存在誤差）。如果這兩組數據都值得信任，那么很顯然，人類對于整個宇宙的演化機制還存在著誤解。有可能被認為是一直推動宇宙加速膨脹的暗能量的強度并非恒定，而是隨著時間逐漸增強，另一種可能則是暗物質并非像人們想象中那樣懶于移動，它們之間也存在著復雜的相互作用同樣影響著宇宙的演化。

（本文寫作參考了《自然》雜志）