暗物质—宇宙深处的神秘力量

暗物质---宇宙深处的神秘力量

暗物质

暗物质是什么?

全宇宙的恒星正在爆炸,这些是宇宙的大灾难。但这些科学家认为爆炸是太空深处的灯塔,照亮了一场极大规模的战争。交战双方是两股神秘的无形力量。其中一种让我们存在,另一种则让我们毁灭。如今我们也陷入挣扎,试着了解这些庞大的力量,并了解黑暗之外的世界。

 

你、我、太阳与恒星,我们所见的事物都有个共通点,我们都是由原子组成的。已知宇宙的物质几乎都是由原子组成。但宇宙还有更多奥秘,我们正开始发现这一面。我们的身体、家园、世界、甚至太空里广大的虚空,都充满了一种神秘物质,这种物质十分奇特。过去许多科学家怀疑其存在,但是在2009年,超敏感的粒子探测器首度发现这些物质。这是惊天动地的发现,让我们必须重新检视我们在宇宙的地位,以及我们最终的命运。

 

发现暗物质

1960年,一位名叫Vera Rubin的天文学家决定去探索很少人研究的太空领域。她叙述道:那时她有两个孩子,一个两岁,一个四岁,她不想和其他天文学家一样竞相研究热门领域。Vera 知道如果要研究黑洞之类的热门领域,其他天文学家会比她更早发表成果,因此她转而研究冷门的天文学课题。当时,她也不确定自己为何要研究星系,但她觉得星系非常神秘,当时的她们了解也不多。尤其是关于星系的运动。起初,Vera用望远镜观察银河系最近的邻居——仙女座星系。跟多数星系一样,恒星密集地聚在仙女座中心。Vera预期看到无数恒星围绕着中央运行,就像太阳系的行星一样,遵守牛顿的重力法则。恒星离中心越远,就运行得越慢。

 

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年轻时的Vera

 

Vera的父亲在40年前退休时为她制作了一个太阳系模型,在这个模型中可以观察到牛顿的理论。水星、金星、地球和火星。火星的速度最慢,其次是地球,水星的速度最快。因为火星受到的重力远小于水星受到的重力。所以,火星的运行速度较慢。Vera在观察星系时,认为恒星也会以这种模式运行,离中心越远,运行得越慢。但是结果并非如此,她们花了两年左右的时间,才测量到90个仙女座恒星的速度。结果非常惊人,她们发现所有恒星的运行速度完全相同,都是每秒250公里。接下来的几年,Vera观察的星系都出现这种不可思议的结果,从星系中心到边缘的恒星运行速度都一样。这跟太阳系的现象完全不同。唯一的解释就是,不管恒星离星系中心有多远,所受的重力都不会减弱。然而,这是不可能的,除非星系的质量大于天文学家的观察结果。合理的解释是星系一定有大量的无形物质,事实上或者90%-95%星系里的物质都是无形的。

 

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太阳系模型

 

这是真正具有创新意义的观念,星系也许充满着看不见的物质。科学家只能把它们称为暗物质。但这么激进的理论需要确凿的证据。不久就有许多天文学家检视Vera的观察结果。有的人很想推翻她的理论,有的人则很想了解这神秘的暗物质究竟是什么,又存在于哪里。这实在很神奇,也很有趣。Vera选了这块领域,因为她想研究其他人不在乎的东西。但突然间有很多人和她一起研究,他们提出看法与观察结果,让这块领域变得热门。

 

什么是暗物质?

在大西洋对岸的英格兰,顶尖的宇宙学家Carlos Frenk开始研究暗物质的观念。但他用的不是望远镜而是方程式。他将牛顿重力法则输入非常精密的计算机仿真程序。他介绍说这台宇宙机器是非常大的超级计算机,它的唯一目的就是模拟宇宙。这里有1300台计算机同时运作,即使如此,要模拟宇宙的一小部分也要花好几个月。这种强大的运算能力超乎我们的想象,但这是模拟宇宙的必要条件。

 

起初,Carlos进行模拟时使用的是科学界公认的初期宇宙成分。也就是虚空里的巨大气体云。然后他就等着看这台宇宙机器是否会制造出我们看到的星系。Carlos道:我们只用看得见的物质,在计算机里仿真星系,结果会如何?恒星形成、演化、最大的恒星爆炸成为超新星,进而散发极大能量。但是重力不足以留住这些气体,所以星系会自行消散,气体会消散殆尽。但宇宙并不是这样形成的。

 

因此,Carlos将暗物质加入方程式。他一点一点地增加,最后他增加的暗物质是可见物质的5倍。几周后,宇宙机器出现奇怪的现象。Carlos发现这次计算机仿真星系的形成用的是无形的暗物质和气体,大爆炸发生约十亿年后,形成团状暗物质。气体进入这些团状暗物质,形成恒星。无形暗物质的重力将这些团状物凝聚起来,融合成更大的结构。所以百亿年后就形成美丽的螺旋星系。我们的银河系就是这么来的。

 

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模拟星系形成

 

Carlos证明如果有大量的暗物质就能形成星系。但如何去证明真有其事?

 

验证暗物质

在苏格兰的爱丁堡,Richard Massey仍在设法解开这个问题。他创立了一种全新的方法探测暗物质——重力透镜。多亏了爱因斯坦,他用了全新角度观察太空,他认为太空是可弯曲变形的物质,受重力影响。凡是有质量的恒星或星系,都能扭曲太空的结构,就像透镜一样。太空结构一扭曲,通过的光线也会扭曲。

 

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暗物质不会反射光线,也不会吸收或发射光线。光线会通过暗物质,不受影响。所以,我们要观察其他地方。像是暗物质如何用重力影响可见物质。光线会因为扭曲的时空而偏斜,听起来很疯狂,其实这是很熟悉的现象,我们常看到光线扭曲。透过酒杯的底部就能看到。虽然酒杯底部是透明的,光线可以直接通过,但是背景影像扭曲了,所以光线也扭曲了。暗物质就像这样,会借着各种物理效应扭曲光线,但是最后的结果都一样。星系前方若有暗物质,影响就会扭曲。

 

这两年来Richard带领各国的天文学家使用一批望远镜观察一部分夜空,寻找所有看得见的重力透镜圆弧。“这个画面是重力透镜的影像,”Richard道:“这些黄点都是离我们较近的星系,这些奇怪的弧形其实是远方的星系。远方星系的光线会通过较近的黄点也就是前景星系。因为前景星系会扭曲太空,也会扭曲远方星系的光线。因此,远方星系的影像就变成弧状的光。”

 

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Richard运算远方星系的光线遭到扭曲的程度,再跟前景星系的可见质量相比。他发现实际的弧度比理论上要大得多。因此,他推论无形的暗物质一定遍布在所有的星系里。从重力透镜的影像里,Richard他们发现暗物质的数量是正常物质的5倍,他们看到的还只是宇宙的冰山一角。宇宙里的大部分物质都是暗物质。

 

无论天文学家观测哪里,他们都开始感受到大量的暗物质。但Richard打算再迈进一大步,他要首度拍下这个宇宙巨人的影像。他拍下后,我们就发现暗物质对我们的重要性超乎我们的想象。

 

Richard花了几年时间设法证明暗物质的确存在,这种无形的物质就像形成一块布裹住宇宙所有的星系。他非常仔细地探索一小块宇宙,以绘制第一张暗物质的地图。“这张实际的天空照片是哈勃太空望远镜拍下的,上面有无数的星系。我们可以非常精准地测量这些星系的形状。以及星系形状的扭曲程度。我们观察星系光线,通过暗物质时的扭曲程度,就能画出暗物质的地图。

 

光线通过星系受到扭曲,最后抵达地球,同时也勾画出暗物质的地图轮廓。Richard让这块无形的宇宙剖面图现形,“这是前所未见的三维地图,显示出宇宙的真实面貌,以及宇宙的主要成分。如果有外星人过来观察我们的宇宙,如果它们可以看到我们宇宙的所有成分,他们就会看到这幅景象。”这就像是宇宙暗物质的汤,最浓稠的地方就是星系形成的位置。

 

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这就是Richard绘制的暗物质地图,左边的图片是宇宙星系与气体的实际位置,这些是正常物质。有巨大星系团的地方,就有高浓度的暗物质。这边有一个巨大星系团,这边就有对应的暗物质光圈环绕在四周。重叠这两张图片,能发现两者的位置相同。正常物质存在于暗物质的支架里。

 

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暗物质的特性

Richard观察了庞大宇宙的一部分,而Frank则用计算机仿真出整个宇宙。

 

Frank:“在这里可以看到暗物质形成的复杂样式,这个网络充满细丝与团状物,我们称之宇宙网。在团状的暗物质里,会形成像银河系一样的星系,气体会在里面冷却凝聚,最后形成恒星。暗物质就像宇宙的骨架,有了这种骨架才会出现星系。”

 

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这背后的含意相当惊人,有了暗物质才会形成今天的一切。没有暗物质就没有星系,也不会有恒星、行星,结果就不会有生命。暗物质在40年前还是个奇特的概念,而如今已不只是个概念了。原来暗物质对我们的存在十分重要。而我们正在逐渐了解其原理。我们知道暗物质和光没有交互作用,但是会受到重力影响。

 

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到了2004年,望远镜拍下了这个画面,让我们了解暗物质的新特性。在40亿光年之外,就是已知宇宙1/3的距离,两个星系团发生碰撞,激发出惊人的能量。数以兆计的恒星以3000里的秒速交错而过。星系团受震波扭曲,变成子弹的形状。此事件称为——子弹星系团碰撞。这种天文奇观让天文学家相当兴奋,更令人振奋的是,由此可知暗物质比我们想象的还要奇特。子弹星系团其实是两个独立的星系团,两者都有暗物质和正常物质。这两个星系团相撞时,就像是宇宙里的巨大车祸。正常物质的速度减慢,并逐渐散发出X光,然后速度开始减慢。最后停在碰撞点附近。但暗物质在撞击后继续运动,最后会比正常物质距离碰撞点更远。

 

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要了解整个过程,我们可以通过实验来表述。在这个实验里,我们用车代表正常物质,然后加上另一个要素——粒子(代表暗物质)。当粒子在碰撞时有什么不同反应?正常物质发生碰撞会停下来,暗物质就完全不同,根本不会有交互作用,它们在碰撞时会直接穿过,继续移动。然后我们看到,暗物质比正常物质离碰撞点更远。子弹星系团就是最好的证据,显示了数十年来天文学家观测到的无形物质和正常物质相比,性质相当不同。这是全新的发现,科学界所知不多。暗物质不受正常物质影响,也不受自身影响。两团暗物质相撞时,会直穿彼此,没有产生作用。在半个宇宙外的天文灾难,证明了暗物质的确存在。而且它们不同于所有我们已知的事物,几乎像幽灵一样,看不见,摸不着。

 

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如何找到“暗物质”?

我们活在物质与光的宇宙里,物质让我们存在,光延续我们的生命。如今我们知道这只是一小部分分真相。我们的宇宙还充满一种神秘物质——暗物质。它看不见,摸不着,却到处都是。每秒都有无数暗物质粒子通过我们的身体,如果科学家可以抓住这种粒子加以研究。那么,我们能否想出办法一窥这种难以捉摸的物质?有些科学家认为这是有可能办到的。他们深入探索地球的黑暗内部。

 

过去100年来,物理学家发现所有物质都是由20种基本的次原子粒子组成。像是玻色子、电子、夸克和微中子。但物理学家也怀疑还有其他的罕见粒子。暗物质是什么,相关理论有很多。科学家正在逐一研究和排除错误的理论。目前暗物质的主流理论是超对称粒子。也就是说,我们所有已知的正常粒子都有相对应的粒子。这组多出来的粒子存在暗物质里,不会和正常物质起作用。只会有相当微弱的重力。

 

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科学家把这些暗物质叫做大质量弱相互作用粒子(WIMP)。这些粒子和正常物质的原子几乎没有交互作用,因此很难截取它们并加以研究。此外,因为日常充满了正常物质的粒子,科学家很容易就会误取正常粒子,而错过了WIMP粒子。Dan Bauer找到了取得它理想的地点。在明尼苏达州废弃铁矿厂的地底半里处。这或许并不是物理研究机构的首选地方,但选这里的理由是因为他想避开来自太空的宇宙射线粒子。地下半里的岩床足以抵挡背景噪声,要找到WIMP粒子轻而易举。但其实并非如此,WIMP粒子侦测器外面有厚达数尺的金属与重塑料护罩。山洞的岩石和周围的物质就连我们身体都带有微弱的放射线。要是这些粒子进入侦测器,会产生很大的背景噪声,导致无法找到WIMP粒子。而护罩可以防止这些粒子进入侦测器。

 

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护罩里有18个曲棍球饼大小的固态锗晶体,用来侦测微弱振动,WIMP粒子撞到晶体时,就会产生这些振动。为了有成功的机会,晶体必须相当纯净,温度要求非常低。

 

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Dan:“这是固态锗晶体的模型,这些网球就代表晶体的锗原子。在室温下,相对地这些原子会向彼此移动。这是我们所知道的热能。要是把WIMP粒子丢到晶体里,根本就看不出差异。因为晶体的振动很激烈,要是我们把温度降到绝对零度左右,此时原子就会停止运动。然后我把WIMP粒子丢进晶体,就会看到晶体振动,这就是我们在寻找的信号。”

 

这种粒子和普通物质几乎没有交互作用,每秒都有无数个WIMP粒子通过我们身体,因为它的交互作用弱,所以只会通过我们继续前进。它们会通过整个地球,继续前进。我们预期每年只能侦测到一、两个这样的粒子起作用。因此,几率很小。为了避免误测,他们会不作分辨地搜集资料,用的是计算机硬盘里的密封盒。在一整年里,工作人员都不能搜查里面的WIMP粒子信号。经过7年,耗费上千万美金,在2009年底打开盒子,里面是一整年的数据中,终于发现了WIMP粒子的踪迹。这或许是第一次,我们确实找到了这种难以捉摸的暗物质。这或许让我们能更进一步了解暗物质。但Dan并不完全肯定他找到的就是WIMP粒子。因此,他们得继续找更多的粒子。他还需证明找到的粒子是WIMP粒子。

 

找到WIMP粒子对我们有什么意义?

 

要是我们找到这些粒子,就会出现全新的物理领域。如果宇宙里真有超对称粒子,这种粒子有自己的交互作用和特性,同时也是宇宙的主要成分,那这就是全宇宙的现象。我们的物理现象反而是旁枝末节。

 

暗物质与宇宙

但正当科学家觉得他们越来越了解暗物质的时候,他们有发现很奇怪的现象。或许暗物质能够让星系形成,但实情不只如此。在21世纪初,太空探测器发现黑暗中还有别的东西。暗物质将一切结合起来,但是有一股力量或许会摧毁整个宇宙。

 

如今我们知道可见的宇宙就像浪花,漂在暗物质的大海上。天文学家发现自己漂浮在这片陌生的海上,过去20年来,Saul都在研究这片海域,设法确定暗物质对我们最终的命运有何含意。宇宙会永远存在吗?还是会在某天突然停止,整个崩塌?Saul在读物理时就非常想了解这些问题。他决定追随前人脚步,20世纪最杰出的天文学家Edwin Hibble。

 

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Edwin Hibble

 

在1920年代,Hibble开始详细观察夜空里的数十个星系,但他觉得有件事很奇怪。几乎全部星系都是红色的,物体远离我们的时候,音调会变低,光线则会变红。Hibble推论宇宙里所有的星系正在快速离我们远去。结论只有一个,宇宙一定是在不断扩张。但他不知道扩张速度是多少,原因又是什么,因为接近我们的暗淡星系看起来就像远离我们的明亮星系。因此他无法判断距离。

 

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困难的地方是你必须知道这些星系实际上有多亮,才能判断有多远。如果你在海上坐船,你在浓雾里看到远方有灯塔,有可能是灯塔的光线很亮,但是离你很远。也有可能是灯塔的光线很暗,其实就在眼前。这个根本的问题在前几个世纪一直困扰着天文学家。但是这个问题有办法解决,自从1980年代天体物理学家就知道有种特殊的恒星爆炸,叫做1A超新星。比太阳稍大的恒星快要用尽燃料的时候,会变得更小,更暗,更紧密。这个阶段称为白矮星。白矮星已经在垂死边缘。但是它仍然有可能复活,只要找到新的燃料就行。如果白矮星属于一个双星系统,邻近的恒星就能提供燃料。一旦白矮星的重力从邻近恒星获取足够质量,就再也不能回头,只会爆炸。此时它的温度超过10亿度,它多数的气体会扩散到太空中。

 

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1A超新星完全符合我们的目的,因为这类恒星的质量相同,爆炸达到巅峰时会产生相同的亮度。光亮会持续几周,在几个月后逐渐黯淡,如果我们能观察到这种现象,尽管爆炸在数10亿年前已经发生了,我们还是能够得到标准,来判断星系的距离。

 

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相同质量所产生的明亮爆炸总会发出等量的光线,用看到的光线判断超新星离我们有多远,在理论上应该可行。但是实际上有问题,这个想法听来很棒,但是非常难执行。1000年里只有几个超新星,每个星系都是如此,人们无法知道哪一个会爆炸。因此很难安排到世界上最大的望远镜,那是要在几个月前预约的。Saul与他的工作团队灵机一动,每隔几周就拍摄相同的夜空广角照片。再用自动化程序在里头寻找超新星的闪光。如果研发的计算机程序够精密,就能在他们搜集的照片里比较数量庞大的星系,看里面是否有三周前从未出现的闪光。如果有的话,就可能是超新星。

 

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在短短5年内,Saul团队在38个星系里发现38个恒星变成超新星。他们能发现超新星爆炸,因而成为传奇。最后,我们得到足够数据评估宇宙的现况。提出了天文学上自Hibble以来最惊人的发现,Saul:“我们一直以为宇宙在扩张,而宇宙间的物质会因重力而互相吸引,因此重力会减缓扩张速度,我们一直想知道这种现象会持续多久。会不会有一天就突然停止了?但我们发现上述问题都不存在,扩张速度根本没变慢,显然宇宙扩张的速度反而越来越快。Saul的团队意外发现星系间有股无法解释的互斥力,因此宇宙会逐渐扩张,他们称之为暗能量。显然宇宙并不像我们想的一样以重力互相吸引,而是受到某种我们从未研究过的东西控制——暗能量。暗指的是我们对它一无所知,而不是东西的颜色。这股能量会加快宇宙扩张的速度。

 

暗能量与宇宙

2001年夏天,三角洲二号运载火箭携带一个小型探测器进入太空,探测器名为威尔金森微波各向异性探测器,是为了观察最遥远及最远古的宇宙,并研究大爆炸留下来的微弱回声。

 

暗物质---宇宙深处的神秘力量

 

David Spergel是威尔金森微波各向异性探测器科学家。我们通过探测器看到的是宇宙快照,非常接近大爆炸时期,当时宇宙非常简单,就像为宇宙拍婴儿照一样。探测器花了6个月逐渐拼凑出宇宙婴儿时的样貌,并侦测大爆炸的余烬,所产生的微小波动与温度。

 

宇宙初期就如同平静的湖面,非常均匀而平滑。在初期的宇宙里,到处都有微小的密度变化,这些变化会产生声波,就像湖里的涟漪一样。涟漪的变化取决于湖的深度和水的特性,如果湖水是水银,涟漪就会有截然不同的变化,我们藉由涟漪移动的速率以及散开的模式,就能知道湖的特性。研究初期宇宙亦是如此。

 

要研究这些涟漪与大爆炸的回声,需要分析非常大量的数据,设法计算解决复杂的方程式,最后通过1.5年时间他们以惊人的精确度说明宇宙的成分。目前,4.6%的宇宙由原子组成,暗物质则占23%左右,特别奇怪的是72%的宇宙是由暗能量组成。暗能量几乎占了宇宙的3/4!

 

100年前,我们还以为我们的银河就是整个宇宙,后来发现宇宙有无数的星系,就像银河一样但是跟我们分开。如今我们知道宇宙正在扩张,逐渐远离我们。不仅如此,扩张的速度还越来越快。我们原本熟悉的宇宙就像家一样,如今变成广大无垠的虚空。

观察黑暗彻底改变了我们对宇宙与自身的看法。构成我们的物质——原子只占宇宙的4.6%,将近1/4的宇宙是暗物质,它让星系得以形成,而3/4的宇宙是暗能量,这种无法解释的能量会摧毁一切。我们的宇宙最后会不会因此灭亡?

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  • 文本由 发表于 2018年5月31日20:11:44
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