宇宙“幽靈”

陳若穎

消失的質(zhì)量

早在大約100年前，科學(xué)家們就在思考上面的那個(gè)問(wèn)題。1932年，愛因斯坦和荷蘭的天體物理學(xué)家威廉·德西特共同發(fā)表了一篇論文。在這篇論文中，他們推斷宇宙中可能存在大量“看不見的物質(zhì)”。愛因斯坦通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，宇宙在大爆炸后，經(jīng)過(guò)不斷的演變，今天終于能夠趨于穩(wěn)定，是因?yàn)槲镔|(zhì)的平均密度至少達(dá)到了5×10^-30克/立方厘米，而這個(gè)數(shù)字比我們實(shí)際觀測(cè)到的宇宙物質(zhì)平均密度整整高了100倍！據(jù)此，兩位科學(xué)家認(rèn)為，宇宙中應(yīng)該不僅只有我們能夠觀測(cè)到的那一部分物質(zhì)，還有更多的物質(zhì)是我們無(wú)法看到的。無(wú)獨(dú)有偶，一年后，瑞士天文學(xué)家茲威基在推算后發(fā)座星系團(tuán)質(zhì)量時(shí)，使用兩種方法算出的星系團(tuán)質(zhì)量竟然相差160倍！由此，他也認(rèn)為這代表著星系團(tuán)中存在著大量我們未觀測(cè)到的物質(zhì)，并且在自己的論文中把這種物質(zhì)命名為“暗物質(zhì)”。

然而，這些在計(jì)算中“消失”的質(zhì)量并未引起科學(xué)界的關(guān)注。直到五十年后，另一個(gè)更轟動(dòng)的證據(jù)的出現(xiàn)，才讓人們真正認(rèn)識(shí)到：宇宙中有大量的物質(zhì)“不見了”。

所謂“看不見的物質(zhì)”就是不會(huì)發(fā)出電磁輻射的物質(zhì)。

尋找天體背后的神秘“推手”

我們都知道，引力與距離有關(guān)。所以在太陽(yáng)系中，距離太陽(yáng)越遠(yuǎn)的天體受到的引力越小，繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的速度也就越慢。比如在太陽(yáng)系八大行星中，距離太陽(yáng)最近的水星平均公轉(zhuǎn)速度大約是47千米/秒，而距離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的海王星平均公轉(zhuǎn)速度卻只有約5千米/秒。根據(jù)這一現(xiàn)象，人們推斷星系中的恒星應(yīng)該也遵循著同樣的定律：距離星系核越遠(yuǎn)的恒星，圍繞星系核運(yùn)轉(zhuǎn)的速度就越慢。20世紀(jì)70年代，美國(guó)天文學(xué)家薇拉·魯賓在觀測(cè)仙女座大星系中的恒星旋轉(zhuǎn)速度時(shí)發(fā)現(xiàn)，在旋渦星系中恒星的公轉(zhuǎn)速度竟然不隨距離的增加而減小，而是幾乎保持不變。是什么使星系中的恒星在遠(yuǎn)離星系核的地方也能保持旋轉(zhuǎn)速度呢？薇拉·魯賓認(rèn)為應(yīng)該就是星系中存在的大量不可見的物質(zhì)為恒星的高速旋轉(zhuǎn)提供了足夠的引力。雖然陰差陽(yáng)錯(cuò)，讓大家真正意識(shí)到暗物質(zhì)存在的薇拉·魯賓并未獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但是她卻豁達(dá)地表示：“名氣只是轉(zhuǎn)瞬即逝的流星，我的數(shù)據(jù)比我的名字擁有更多意義。如果天文學(xué)家今后還在用我的數(shù)據(jù)，這就是對(duì)我最大的恭維了。”

薇拉·魯賓

盡管薇拉·魯賓的觀測(cè)足以證明，我們的宇宙中存在某種神秘的暗物質(zhì)，它能夠參與星系的構(gòu)成，為恒星提供足夠的引力。可它究竟是什么？又有什么特性？我們要怎樣才能觀測(cè)到這種“看不見的物質(zhì)”？科學(xué)家們遇到了難題。

旋轉(zhuǎn)星系中恒星的旋轉(zhuǎn)速度

后來(lái)，科學(xué)家們想到了一個(gè)間接觀測(cè)的方法——引力透鏡法。薇拉·魯賓的觀測(cè)除了證明宇宙中存在大量的暗物質(zhì)外，還告訴我們另一個(gè)信息：雖然暗物質(zhì)基本不發(fā)出任何電磁輻射，也基本不和普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，但它卻能和普通物質(zhì)一樣參與引力作用。也就是說(shuō)，我們雖然不能直接觀測(cè)到暗物質(zhì)，卻可以通過(guò)觀測(cè)暗物質(zhì)對(duì)普通物質(zhì)產(chǎn)生的引力影響，間接地觀測(cè)它。這就好比我們看不到風(fēng)，卻可以通過(guò)被風(fēng)吹動(dòng)的旗幟來(lái)觀測(cè)風(fēng)向。

引力透鏡原理示意圖

那么科學(xué)家們?nèi)绾斡^測(cè)宇宙中的暗物質(zhì)對(duì)普通物質(zhì)的影響呢？這就要說(shuō)到“引力透鏡法”了。偉大的科學(xué)家愛因斯坦告訴我們：物質(zhì)可以使時(shí)空彎曲，并且物質(zhì)的質(zhì)量越大，時(shí)空彎曲的程度就越大。時(shí)空彎曲了，在時(shí)空中穿梭的光線反應(yīng)當(dāng)然最明顯，本應(yīng)直線行走的光線發(fā)生了偏折，于是人們將彎曲的時(shí)空比喻為日常生活中同樣能使光線偏折的“透鏡”，并將這種時(shí)空彎曲使光線偏折的現(xiàn)象稱為“引力透鏡效應(yīng)”。

講到這里，引力透鏡法是否已經(jīng)呼之欲出？沒錯(cuò)，其實(shí)我們只要觀測(cè)到天體發(fā)出的光線在通過(guò)一個(gè)看似虛空的區(qū)域時(shí)發(fā)生了偏折，那我們就可以猜測(cè)這個(gè)區(qū)域中有暗物質(zhì)存在。不僅如此，我們還可以通過(guò)觀測(cè)光線的彎曲程度，間接地推斷這個(gè)區(qū)域暗物質(zhì)的質(zhì)量大小。

2007年，科學(xué)家們?cè)谟^測(cè)室女座星系群時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)十分奇怪的區(qū)域。這個(gè)名叫VIRGOHI 21的區(qū)域看似一片虛空，卻對(duì)周圍的星系有很強(qiáng)的引力作用。后來(lái)，科學(xué)家們通過(guò)精確測(cè)量這一區(qū)域中的物質(zhì)質(zhì)量分布，驚訝地發(fā)現(xiàn)：VIRGOHI 21的質(zhì)量雖然和普通星系類似（約為太陽(yáng)的1000億倍），但卻是一個(gè)完全由暗物質(zhì)構(gòu)成的暗星系，其中不存在任何恒星或行星，也沒有任何可以構(gòu)成可見天體的普通物質(zhì)。

VIRGOHI 21

探測(cè)暗物質(zhì)方法多

除了引力透鏡法以外，人們也找到越來(lái)越多的方法來(lái)探測(cè)暗物質(zhì)。

1.地下探測(cè)。科學(xué)家們嘗試在地下數(shù)千米深的地方建地下實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)巖石隔絕宇宙中的噪聲，以期能夠直接接收暗物質(zhì)打在接收屏上的微弱信號(hào)。現(xiàn)在，全世界已經(jīng)建成十幾個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)室，在我國(guó)四川錦屏山下就有一個(gè)目前世界上最深、宇宙噪聲最小的地下實(shí)驗(yàn)室。不過(guò)，人類依靠地下實(shí)驗(yàn)室探測(cè)暗物質(zhì)已有近30年的時(shí)間，但一直沒有探測(cè)到令人信服的暗物質(zhì)信號(hào)。

2.衛(wèi)星探測(cè)。雖然暗物質(zhì)并不會(huì)和普通物質(zhì)相互作用，但它們卻會(huì)相互碰撞而湮滅，產(chǎn)生我們熟悉的電子、質(zhì)子、光子等普通物質(zhì)。如果衛(wèi)星能夠探測(cè)到比預(yù)期強(qiáng)度更高的宇宙信號(hào)，那這個(gè)信號(hào)就很有可能源于暗物質(zhì)粒子的湮滅。2015年，我國(guó)發(fā)射的人類第一顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星——悟空號(hào)，就是利用這一間接方法來(lái)探測(cè)暗物質(zhì)信號(hào)的。

悟空號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星

雖然說(shuō)科學(xué)家們已經(jīng)通過(guò)種種手段，判斷出宇宙中存在大量暗物質(zhì)，但從發(fā)現(xiàn)至今，我們對(duì)暗物質(zhì)仍然知之甚少。迄今為止，我們只能勾勒出暗物質(zhì)的簡(jiǎn)單輪廓：它的質(zhì)量大概占宇宙總質(zhì)量的四分之一;它應(yīng)該是一種全新的、不同于我們認(rèn)知的任何一種普通物質(zhì)的粒子;它有一定的質(zhì)量，并且能夠參與引力作用;它是高度穩(wěn)定的，幾乎不與普通物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，也幾乎不會(huì)發(fā)出、反射或者輻射任何電磁波;它的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)該遠(yuǎn)低于光速，這樣才能讓宇宙保持穩(wěn)定，形成如今的宇宙結(jié)構(gòu)。

宇宙質(zhì)能分布餅狀示意圖

總結(jié)完暗物質(zhì)的特征，你是不是也發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)就像宇宙中披著隱身衣的幽靈，我們無(wú)法直接觀測(cè)到它，只能通過(guò)它對(duì)普通物質(zhì)產(chǎn)生的影響來(lái)研究它。為了探測(cè)這個(gè)宇宙“幽靈”，科學(xué)家們付出了很多努力。雖說(shuō)現(xiàn)在并不能確認(rèn)暗物質(zhì)究竟是什么，但通過(guò)對(duì)它的研究，科學(xué)家們可以更加了解宇宙的結(jié)構(gòu)與本質(zhì)。未來(lái)，相信暗物質(zhì)還會(huì)為我們講述更多宇宙故事。