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浩瀚宇宙的精灵

范文

李　鉴

编辑柯妍

“江天一色无纤尘，皎皎空中孤月轮。江畔何人初见月，江月何年初照人?”唐代诗人张若虚的一首《春江花月夜》，即景生情，抒发了对宇宙的深沉疑问和对人事的深刻感悟，引起无数后人的共鸣。但是诗人却不知道，当他凝视明月时，除了耀眼的月光外，至少还有一种看不见的粒子也在从他身上飞过，尽管他毫无察觉。同样，在您阅读这本杂志时，这种微粒也在悄无声息地向您迎面飞来，它径直地穿过您的衣服、身体甚至整个地球，而几乎不会留下半点蛛丝马迹。这类遍布于宇宙中的神秘物质，就是当代天文学中的研究热点：暗物质。

暗物质(dark matter)是我们无法直接看到的物质的总称。宇宙中的黑洞、极暗淡的恒星等，我们也无法看到，但它们在暗物质中所占的比例可以忽略不计，这里提到的暗物质并不包括它们。暗物质的性质极为特殊，它们不吸收光，就好像透明的一样，同时它们既不发光也不反射光，所以在我们看来，它们唯一的颜色就是纯黑色。暗物质粒子不带电，与普通物质几乎不会发生(除引力作用外的)任何相互作用，就算它正与我们擦肩而过，我们也一无所知。更奇特的是，有些暗物质的温度高达1万摄氏度左右，却不会产生任何光、热等辐射。它们唯一与普通物质的相同之处是，暗物质也遵循万有引力定律，而且能与普通物质和平共处，组成星系、星系团等。所以，暗物质虽然不发光，但是它们的引力会影响发光物质的运动。通过探测发光物质的运动就能间接推断出暗物质的分布情况，就好像看到水面上流动着的莲灯就知道水流的方向一样。

暗物质的性质是如此不同寻常，以至于人类从1933年第一次猜测到它的存在起，历经70多年的艰难搜寻，直到2006年8月，美国天文学家在观测星系团的碰撞时，才获得了暗物质存在的直接证据，这也是在暗物质的概念提出73年之后，人类第一次直接探测到暗物质存在的证据和计算出暗物质的数密度及温度，第一次直接目睹它的丰姿。

犹抱琵琶半遮面

小时候，在繁星满天的夜晚，我们常常想：这么多星星，数也数不过来，该有多少啊?天文学家们也一样，而且他们带着这样的疑问真就着手去数了。被誉为“近代天文学之父”的英国天文学家成廉·赫歇耳(公元1738～1822年，天王星的发现者)堪称最伟大的数星者。从1784年起，赫歇耳开始利用望远镜进行恒星计数工作，在多达1083次的观测中，总共数出了117600颗恒星(我们肉眼能见到的恒星只有6000多颗)。他据此估计这个恒星王国的总星数也许有若干亿，后来的天文学家在数星星的基础上，结合数学、物理知识建立起了银河系模型，然后又从银河系外推到了河外星系、星系团等大得超乎想象的庞然大物。现在人们知道，原来银河系里包含大约4000亿颗恒星，而宇宙中至少有1000亿个像银河系这样的星系，所以宇宙中至少有40万亿亿颗星星!相当于在10的后面加上22个零，着实令人咋舌。(图一)

然而随着科学的发展，天文学家们愕然发现，就算把我们看到的、没看到的所有这些星星都加起来，在宇宙总物质中所占的比例竟然也不过4％左右!还有96％的宇宙物质是我们无法直接看到的、不发光的物质，这其中包括23％的暗物质和73％的暗能量。原来充满诗情画意的夜空星座、千姿百态的地球万象以及光泽万物的明月朝阳，统统都是宇宙中的小配角!真正主导宇宙命运的竟是暗物质与暗能量这两大“黑暗帝国”。

最早提出暗物质概念的是美籍瑞士天文学家兹维基(Fritz Zwicky)，1933年他在观测后发座星系团里成员星系的运动时，发现我们看得到的物质(即发光的恒星、恒星以及星系间的介质等)，根本不足以把星系团吸引在一起，从而推断星系团里一定存在着我们没有看到的物质，而且它们至少要占到90％以上，所产生的引力束缚才能使星系团里的星系没有分散开来。不过当时他的这一论断并没有引起重视。(图二)

从1960年以后，不断有关于暗物质的证据被发现，而人类真正直接观测到暗物质则是在2006年。8月21日，一群美国天文学家在对子弹星系团(Bullet Cluster)进行长达几个月的观测后宣布“看”到了暗物质。子弹星系团是一种不同寻常的宇宙结构，它实际上是两个星系迎面相撞并彼此穿越而形成的。两个星系团以每小时近两亿千米的高速撞到一起，它们内部包含的发光物质由于相互间存在引力之外的相互作用力，在相互挤压的过程中速度减慢了。但是两星系团中的暗物质之间没有这种作用力，它们并不减速，而是畅行无阻地直接穿过对方。结果暗物质跑到了发光物质的前面，于是每个星系团就分成了两部分：暗物质在前，发光物质在后。暗物质与普通物质分离后就易于捉摸了，天文学家们最终通过其他的物理效应确认了这两团暗物质的存在。(图三)

暗物质终于在人们面前露出了冰山一角，也许这将成为这个王国现出原形的开端。

谁是宇宙的主宰

20世纪70年代，当天文学家们埋头研究星系和星系团是怎么形成的时候，就发现如果宇宙中只有光子和普通物质，那么星系的形成时间将比现在大大延迟，这将导致直到今天银河系都还来不及形成，更别说我们的太阳系了!(我们知道的实际情况是，宇宙的年龄约为137亿年，银河系在宇宙诞生后数亿年就形成了。)那么，究竟是什么促成了宇宙中天体结构的快速形成呢?

宇宙在大尺度上是均匀的，只不过在“小”一些的尺度上存在着星系团、星系、恒星等结构，它们是原始星云在自身引力作用下收缩形成的。而均匀分布的物质不会在自身引力作用下发生收缩，因此在宇宙的早期，物质分布必然存在着微小的不均匀，而今天的星系、星系团等结构就是来源于这些不均匀的放大。然而正如前文所述，普通物质的总量太少，它们产生的引力不足以使这些不均匀的起伏迅速扩大并很快形成星系等结构。只有暗物质大量存在时，才能使得这些不均匀的“种籽”最终在它们强大引力的作用下迅速聚集成团，并在较短的时间内形成银河系、太阳系乃至我们的地球家园。(图四)

天文学家们已经证实，现在的宇宙处于加速膨胀之中。对宇宙膨胀负主要责任的是暗能量(它产生类似斥力的效应)，而暗物质和普通物质一起，是制约宇宙膨胀的因素(它们产生的是引力)。如果暗能量占上风，那么宇宙就会永远膨胀下去，如果暗物质和普通物质占上风，总有一天宇宙会收缩成一点。有趣的是，宇宙学理论预言，目前宇宙中的物质总密度非常接近于膨胀与收缩之间的临界值。但我们所观测到的普通物质密度却远远达不到这个临界值，两者竞相差了数十倍!这一差距就是靠暗物质来弥补的。

何时揭开神秘的面纱

尽管关于暗物质的研究已经持续了30多年，而且近年来随着科技进步和观测手段日新月异，研究取得了很大进展，但暗物质的最终面纱仍然远未揭开。我们推断出了暗物质的性质，发现了它的存在踪迹，但它到底是什么?至今还是天文学上悬而未决的重大疑案。

天文学家通常把暗物质分成两类，即：热暗物质与冷暗物质。热暗物质是由高速(相对论速度)的粒子组成，中微子就是典型代表；冷暗物质则可能包括WIMPs(弱作用大质量粒子)以及axion(轴子)等等奇妙的基本粒子。WIMPs中的中性子(neutralino)，是一种粒子物理学家根据理论模型提出的粒子。如果暗物质是由中性子组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子，不过目前人们还没有探测到它。轴子(axion)是一种非常稳定的微小粒子，质量只有电子质量的数百万分之一。人们现在已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。除此以外，科学家们还提出了许多暗物质组成成分的候选体，我们就不一一介绍了。

在所提出来的各种暗物质候选粒子中，目前只有中微子已被直接探测到，中性子和轴子还仅仅存在于理论推理中。中微子是热暗物质的代表，可是近几年的观测表明，虽然中微子数量巨大，但质量太小，它们在暗物质中所占的比例可能小得微不足道。大多数科学家相信，暗物质是多品种的，绝不止一种。

由于暗物质不会发出任何光线，因此目前所有的观测手段都无法直接拍摄到它们的图片。2007年1月7日，美英天文学家宣布，他们绘制完成了首张宇宙暗物质的三维分布图。根据他们绘制的图，能判断出暗物质在宇宙中的位置和大小，甚至包括它们形成的具体时间。可以预见，这对于人类研究宇宙的起源以及未来演化，将具有极为重要的意义。(图五)