暗物質(zhì)是“冷的”還是“熱的”？

岑夫子

據(jù)估計(jì)，宇宙中占物質(zhì)總質(zhì)量84%以上的是一種神秘的物質(zhì)，叫暗物質(zhì)。由于暗物質(zhì)幾乎不與普通物質(zhì)發(fā)生作用，所以很難探測組成它的粒子是什么。最近幾年，天文學(xué)家捕捉暗物質(zhì)粒子的結(jié)果都是“竹籃打水，一場空”。但是，即便在這種情況下，科學(xué)家也已經(jīng)解決了關(guān)于暗物質(zhì)是“冷”是“熱”的問題。那么，在不見實(shí)物粒子，幾乎對它的性質(zhì)一無所知的情況下，他們是怎么解決這一問題的呢？

宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

上世紀(jì)下半葉，宇宙學(xué)研究進(jìn)入到一個(gè)前所未有的發(fā)展階段。一方面，大爆炸宇宙學(xué)逐漸成為主流，借助廣義相對論，理論學(xué)家開始建立關(guān)于宇宙演化的理論。另一方面，人們對于銀河系附近宇宙的探測還留有極大的空白。我們附近的宇宙是什么樣子，沒有人能夠說清楚。

1977年，美國哈佛-史密森天文中心的科學(xué)家計(jì)劃進(jìn)行一次雄心勃勃的星系巡天，稱為CFA巡天計(jì)劃。這個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃對全天2400個(gè)星系離開我們的距離進(jìn)行精確測量。第一期巡天在1982年完成，觀測到的星系中最暗的是人類肉眼極限的兩千分之一。將這些星系畫在一張圖上，人們就可以粗略地畫出宇宙的一個(gè)三維“地圖”，兩個(gè)維度代表星系在天空中的位置，第三個(gè)維度則代表它們離開我們的距離。

在過去的研究中，因?yàn)椴恢佬窍档木嚯x，人們習(xí)慣將觀測到的星系位置畫在二維的天球坐標(biāo)系中。也就是說，過去人們看到的星系，實(shí)際上只是它們在二維球面上的投影。在這樣的圖中，星系分布看起來沒有什么特別的規(guī)律，似乎分布非常均勻，這倒跟當(dāng)時(shí)一個(gè)所謂的“宇宙學(xué)原理”頗為吻合。宇宙學(xué)原理說，宇宙物質(zhì)從大尺度來看，應(yīng)該是均勻的。CFA巡天則讓宇宙學(xué)家可以在更加真實(shí)的情況下，檢驗(yàn)宇宙學(xué)原理的有效性。

結(jié)果大出乎意料。在這張粗糙的宇宙三維地圖上，星系分布就像一張不規(guī)則的漁網(wǎng)。它們的分布并非均勻，而是很明顯地聚集“網(wǎng)絲”上，“網(wǎng)絲”又似乎附著在“網(wǎng)眼”上。在幾條“網(wǎng)絲”相交的點(diǎn)上，星系尤其密集，而在“網(wǎng)眼”所在的巨大空洞中，星系幾乎寥寥無幾。

暗物質(zhì)是“冷”還是“熱”？

如何解釋這一切呢？按照大爆炸理論，宇宙早期溫度極高，密度極大，物質(zhì)分布高度均勻。現(xiàn)在所展現(xiàn)出來的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，必定是演化來的，而在宇宙這個(gè)層次上，主要是引力在起作用，所以演化又必定是由引力推動的。

那時(shí)，人們已經(jīng)意識到，主導(dǎo)宇宙結(jié)構(gòu)形成的并不是可見物質(zhì)，因?yàn)檫@部分物質(zhì)所占比例很小，有超過84%的物質(zhì)都是不可見的暗物質(zhì)。這意味著，宇宙的這種網(wǎng)狀大尺度結(jié)構(gòu)，必須考慮暗物質(zhì)的作用才能解釋。

在CFA巡天計(jì)劃所繪制的宇宙地圖上，星系分布就像一張不規(guī)則的漁網(wǎng)。

巧合的是，1970年代隨著大統(tǒng)一理論的建立，粒子物理學(xué)們意識到，理論上中微子是可以具有質(zhì)量的。而當(dāng)時(shí)的一系列實(shí)驗(yàn)測量顯示，中微子的靜止質(zhì)量可能在30電子伏特左右。這些測量雖然在今天看來是不可靠的，在當(dāng)時(shí)卻使得中微子成為暗物質(zhì)最可能的候選者。在大家眼里，雖然單個(gè)的中微子質(zhì)量極小，但因?yàn)閿?shù)量多得驚人，它們在宇宙物質(zhì)中的“份額”占大頭，也并非不可能。由于中微子運(yùn)動速度極快，幾乎接近光速，因此它被稱作“熱暗物質(zhì)”。與此相對的，理論學(xué)家也提出數(shù)種“冷暗物質(zhì)”的候選者。相比熱暗物質(zhì)，冷暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量要大得多，在宇宙早期的速度非常低。——這里的“冷”“熱”借用了熱力學(xué)上的說法，因?yàn)楦鶕?jù)分子運(yùn)動論，組成氣體的分子平均速度越大，氣體溫度就越高，反之，則越冷。

暗物質(zhì)是“冷”還是“熱”，對宇宙演化的影響是不一樣的。雖然不論“冷”還是“熱”，暗物質(zhì)都會在引力作用下聚集成團(tuán)，但暗物質(zhì)粒子運(yùn)動速度越快，顯然越不容易受引力“束縛”，也就越不容易聚集，這就影響到宇宙結(jié)構(gòu)的形成。

在熱暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中，首先形成的是巨大的薄餅狀結(jié)構(gòu)，緊接著的是巨大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。薄餅狀結(jié)構(gòu)在引力作用下繼續(xù)坍縮，其結(jié)構(gòu)會變得不穩(wěn)定，從而碎裂成更小尺度的結(jié)構(gòu)，例如星系。而在冷暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中，首先形成的是小的團(tuán)塊，如星系。不同的團(tuán)塊通過合并逐漸長大，最后形成大尺度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

概而言之，在熱暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中，先形成“巨網(wǎng)”，再形成單個(gè)星系;在冷暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中，先形成星系，再形成“巨網(wǎng)”。

爭論塵埃落定

哪一種暗物質(zhì)模型與今天觀測到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)更符合呢？這就需要實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。由于宇宙的演化早已是“前塵往事”，我們只能借助電腦模擬來再現(xiàn)這一過程。美國哈佛-史密森天文中心的科學(xué)家們就做了這樣的模擬。

首先模擬的是熱暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙演化過程。人們本來對中微子寄予厚望，但結(jié)果大出乎意料。在這個(gè)圖景里，宇宙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)確實(shí)形成了，但在“網(wǎng)眼”似乎比今天觀測到的宇宙密了許多。同時(shí)，相對小尺度的結(jié)構(gòu)——星系，卻又無法在模擬中生成。

接著，又模擬冷暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙演化過程。這一次，率先形成的是星系，然后是星系團(tuán)，再后來，含有“網(wǎng)絲”和“網(wǎng)眼”的整個(gè)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)也出來了。模擬得到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，與CFA巡天所觀測到的十分相似。

這樣，“冷”“熱”暗物質(zhì)誰主宇宙“沉浮”，也就一目了然了。