宇宙中的幽灵暗物质

  在威尔斯(H.G.Wells)所写古典小说《看不见的人》一书中,一个叫做格里芬的人发现了一种药,吃了以后能使光线穿过身体。当他喝了这种调合剂后,他的身体便隐而不见了,只有穿的衣服能被见着。在午后散步时,他只穿戴了帽子、手套、网球鞋和一副眼镜,这是所有遇到他的人所看到的在街上行走的怪物。但当看到这一奇观时,人们将会很好地做出结论,一个隐身人联系着所有见到的事物,使得它们动起来。

  但几年以后,出现了一个隐蔽的商品--名为“看不见的狗”--专供那些买不起(或不希望)真的宠物,但仍要享受与它们一起散步的乐趣者使用。有特别设计制作的皮带,用于当狗的“主人”带其散步时上下振动。

  假定一个明理的成年人看到这样一个“看不见的狗”在街上走,他会不会想到有某些眼睛看不见的东西存在着呢?当然不会。有人看到这样的一个“动物”将假装看不见并藉口讨厌它,但不会得出它真的存在的结论。

  恒星在星系里运动的方式,星系在星系团内运动的方式,似乎都指出还存在着远远多于眼睛能见到的东西。但拖曳这些可见天体的是些什么东西呢?是不是像威尔斯小说里的隐身人的身体那样,真实的存在着?还是个幻觉,像隐没的“看不见的狗”的形式那样?几乎可以肯定地说是前者。近年来,积累了大量的观测证据,证明暗物质在整个宇宙中非常丰富。

  近几十年来,科学家们感到恒星和星系运动的状态,不能完全以可见物质的引力作用来说明。早在30年代初期,荷兰天文学家奥尔特(Jan Oort)在研究恒星穿越银河系银道面的运动,以便更好地了解它们的动力学时,他测量了恒星距银盘上、下的距离,并计算银盘含有多少质量才能保持恒星在这两个距离来回振荡(就像挂在弹簧下的重物一样上、下振动),因为它们的运动量有赖于银盘中其他部分对其引力吸引。使奥尔特惊奇的是,他发现银盘中需要产生这些影响的物质的总量,至少应3倍于可见物质的总和。

 

  在奥尔特研究恒星运动时,兹威基也在研究星系团中星系的运动。他分析了后发座星系团中星系的运动情形,求出需要多大的质量来提供引力才不致于使这些星系分散。使他惊奇的是,计算出所需的质量为观测到的质量的300倍。由此,他推测后发团中大部分物质是看不见的暗物质。

  或许,暗物质存在的最有说服力的早期证据,是70年代在华盛顿卡内基研究所工作的鲁嫔(Vera Rubin)和她的同事们提供的。他们查看了所谓星系的旋转曲线--星系内恒星与气体的轨道速度与它们距星系中心距离的关系的曲线。

  在太阳系,行星的旋转曲线,行星速度与它们与太阳距离的关系的曲线,是由开普勒定律很好地描述的。因为太阳系的大部分质量集中在其中心--即太阳--行星的速度显示出一个随距离而迅速下降的趋势。例如,冥王星绕太阳运动的速度比水星的要慢得多。

  如果一个旋涡星系,如银河系,其质量是按观测到的星系的物质安排分布的,则将出现类似的旋转曲线的下降,因为星系的大部分质量是集中在核球的,星系晕中的引力要弱得多。所以距星系中心越远,那里恒星的速度将下降得越多--其结果,星系旋转曲线将随距离而骤降。

 暗物质被认为是推动宇宙膨胀的最神秘力量,这项新理论就试图把它与中微子具有质量这一事实联系起来。

  科学家们认为,这一联系应该源于中微子同一种尚未被发现的亚原子粒子的交互作用。他们把这种仍然存在于假设状态中的亚原子粒子称呼为“加速子”。该理论认为,当宇宙把中子和加速子分开的时候,暗物质就随之诞生。

  有趣的是,按照这个理论可以预言,宇宙膨胀的速度会随着中微子进一步的分离而减慢。这与人们现有的结论不符。

 

  但是,对于银河系、仙女星系和其他旋涡星系来说,上述情况并未出现过。代替随距离下降的,是这些星系的旋转曲线趋于平坦。换句话说,在整个星系晕中的恒星速度保持恒定。这表明,这些星系的质量并不是集中在核球,而是均匀地分布在整个星系中。要使这一情形成为现实,在星系晕中一定要存在着大量的看不见的暗物质。

  其他有关的研究工作很多,这里不可能一一列举,但这些研究进一步提供的证据说明宇宙中有90%乃至99%的物质,是不能用望远镜直接观测到的。看来,暗物质像是被束缚在星系里面的。但观测还证明星系之间的空间内也有暗物质,即使在没有星系的空间,如空洞的内部也有暗物质。因此,空洞也许并不是完全空的洞。

  由此可见,这是个应冷静思考的问题。经过几个世纪的望远镜观测,宇宙中的物质只有一小部分被描绘出来,这只是天文学家看到的冒出水面的冰山一角。看来,宇宙中的大部分物质将永远隐藏着,只有贫乏的10%或位于“表面以上的”才能被探测到。

  统治着宇宙的神秘物质是些什么东西呢?对于它们的性质,近年来有不同的说法。重要的候选者可分为三个主要类别:大质量致密晕天体(MAssive Compact Halo Objects,缩写为 MACHOs),弱相互作用重粒子(Weakly Interacting Massive Particles,缩写为WIMPs)及有质量的中微子。不论前两类暗物质名称的含义如何,主要的问题是到什么地方能够发现它们。

  MACHOs是存在于星系周围区域的致密物体。这些天体不发出可觉察的辐射,只是通过它们与其他实体的引力作用而被间接探测到。第一个被探测出的这类暗物体的例子是1993年由三个天文小组发现的:一个叫做EROS的法国小组,另一个以波兰科学家为主的叫做OGLE的小组,以及由美-澳科学家组成的叫做MACHO计划的小组。第三个人数最多的小组由劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的阿尔科克(Charles Alcock)为首,该实验室的贝内特(David Bennett)和加利福尼亚大学圣迪戈分校的格里斯特(Kim Griest)参与领导。他们用位于澳大利亚靠近堪培拉的斯特罗姆洛山天文台的1.5米口径望远镜进行工作。

  各小组都发现了由MACHOs对于大麦哲伦云中恒星的引力透镜效应的明显的例子。引力透镜是广义相对论性效应,位于地球与远方天体之间的物质畸变了该天体的像。这里再次提醒读者,按照广义相对论,大质量物质能使掠过它附近的光线弯折,并像透镜一样使光线聚焦。在此情况下,一个MACHO临时地位于地球与大麦哲伦云中的一颗红巨星之间,临时地集聚起来从该恒星向地球射来的光线。这一被放大了的信号被天文学家们记录了下来,并进行分析。他们用此数据决定MACHO的质量和大小。美-澳小组观测到一红巨星的视亮度,在恢复到其原先的光输出水平时其视辐射输出维持了33天。在排除了导致这一现象的其他可能原因后,该事件被定为是一个看不见的质量大的天体所导致的引力透镜效应的信号。

  在1996年1月美国天文学会举行的学术讨论会上,美-澳合作者们报告了银河系晕的大部分是含有MACHOs的有力证据。这一证据来自对7个新的大质量晕天体的发现。他们再一次用对大麦哲伦云的引力透镜效应,来确定这些幽灵般天体的性质。

  这些MACHOs的质量从1/10太阳质量到1个太阳质量不等。因为它们的小而暗的特点,它们中的大多数极可能是白矮星。它们可能和太阳相似,来自主星序晕星,后来用完了它们的大部分核燃料,遗留下的恒星发出的光极弱,所以很难被探测到。

  某些MACHOs也有可能是红矮星和/或褐矮星的。红矮星是非常之冷和放出少量辐射的星。因此,它们难于被直接探测到。褐矮星发出的光线更少,它们是一类不足以开始核聚变的不到临界质量的星,因此它们不燃烧。有些理论工作者建议的其他的MACHOs候选者,包括木星大小的行星、中子星及黑洞。有可能MACHOs包含它们之中的一些,有可能是全部的混合体--但大多数是白矮星。

  科学家们现在相信MACHOs差不多占据所有星系内暗物质的一半,甚至一半以上。不幸的是,仍遗留有相当大一部分星系中看不见的物质等待阐明,这里还没有提到宇宙其他部分的大量的暗物质。因此,研究工作者曾建议星系中的其余暗物质是由WIMPs组成的。

  WIMPs包含形形色色的假想的基本粒子,它们的共同特点是很少与普通物质起作用。这些质点包括轴子(曾在关于早期宇宙的理论中提出来的质点)、超对称粒子(见方框里的说明)和其他种类的奇异亚原子粒子。

  怎样才能探测到WIMPs呢?一些科学家设法在庞大的原子粉碎机内,以超高速对撞普通的粒子,希望在所得不寻常的副产品中出现这些粒子。

超对称

  超对称粒子,一个被称为超对称理论的粒子物理模型的假想副产品,常被推荐为暗物质候选者。超对称理论企图统

  一宇宙中的两重要种类的粒子:费密子玻色子

  简言之,费密子提供物质的构件。质子中子及电子,原子的组成成分都是费密子;而玻色子则供给使费密子粘在一起的胶,也提供将它们推开的爆发力。光子是电磁力的携带者,引力子是引力的传送者,它们是玻色子的例子。

  按照超对称模型,每个费密子有一个玻色子伴侣,反之亦然。例如,电子的玻色子伴侣叫做选择子。引力子的费密子“灵魂配偶”叫做引力微子。

  至今,还没有经验的证据证明这些伴侣粒子的存在。但是,许多理论工作者发现,超对称是一个在两重要亚原子物体大类分野间一种优美的架桥方式。他们希望这些新粒子--光微子及其他类似者--将在近期内从最高能量的加速器的实验数据中出现。假如果真如此,则暗物质之谜将很快得到解决。

  加利福尼亚大学伯克利分校的斯诺登-艾夫特(Daniel Snowden-Ifft)、弗里曼(Eric Freeman)和普赖斯(BufordPrice),相信他们已经发现了一个较好的探测WIMPs的办法。他们检视一小块云母片,发现该云母片上面有5亿年前被WIMPs轰击的痕迹。这说明岩石中难以捉摸的化学变化,将会暴露出岩石过去被WIMP碰撞的痕迹。

  按照基本粒子理论,若一WIMP曾经碰撞在一块岩石上,则它将有一些机会(纵令是一个小的机会)替代岩石中的一个原子核,这一原子核的置换将很有可能挨次导致电子从其他原子中被从原位逐出。经过一定时间,逐渐变化了的原子的痕迹将在岩石中出现。这是加州大学伯克利分校的3人小组希望探测的化学变化。

  到现在为止,小组只检测了岩石的一小部分,约1平方毫米云母片的8%,WIMP的痕迹尚未被观测到。为了增加发现的机会,他们正在检视一个较大的样品,希望能找到这些幽灵般粒子存在的证据。

  几乎被摒弃的暗物质候选者中微子,近来又一次成为暗物质的竞争者。70年代,在原子核衰变过程中产生的寻常的

暗物质:冷的、热的或混合的

  近年来,天体物理学家们正在进行着一场充满活力的关于宇宙中暗物质温度的辩论。它之所以成为一个热点问题,是由于需要对宇宙中结构形成的各种模型做一个它们所含物质平均速度的估计。平均速度与温度有直接联系;热的物质,平均说来,比冷物质含有更多快速运动的粒子。因此热暗物质碎片将飞行得较快,并产生比之于冷暗物质铺开得较大的结构。

  较长时期以来,包含冷暗物质(例如WIMPs)的各种宇宙模型,是一般的结构形成景象。计算机模拟进行的这些模型,能很好地再现星系的诞生。但这些模型的主要缺点是不能模拟出正确的星系的大尺度分布。

  热暗物质景象(如存在有质量的中微子)则反之,能如实地预言宇宙中常见的大尺度形式:超星系团、气泡、巨壁和空洞。但遗憾的是,它们模拟不出星系大小的天体的生成。

  目前,大多数科学家倾向于采取折衷的办法:既有冷暗物质也有热暗物质的混合体。这种模型不仅能较好地再现所知的关于宇宙的结构,对有关其粒子组成的当前想法也符合得很好。麻省理工学院的伯特辛格曾发现一个80%冷暗物质和20%热暗物质(如中微子)的结合,在星系形成的计算机模拟中能工作得很有效。

中微子,在宇宙中失踪的物质诸候选者的表内被列在榜首。那时,虽然中微子被认为是没有质量或质量接近于零,其质量的精确值是不知道的,但理论工作者的计算表明,哪怕中微子有极小极小的质量,暗物质的问题便迎刃而解了。这是因为宇宙中有无数的中微子,若每个中微子都有质量,则所有中微子质量的总和将非常之大。不幸的是,一次一次的实验(除去1980年有一点儿可信的苏联科学家的实验结果),看来都表明中微子是没有质量的。因此,不再将中微子作为一个说得过去的暗物质的竞争者来考虑。

  1994年,被打败的候选者获得了一次辉煌的复辟。洛斯·阿拉莫斯实验室的由怀特(Hywel White)领导的物理小组,用满满一大桶矿物油和一连串的1220个光电管(光探测器)去测量衰变的中微子的质量。这些中微子是在进行变化为另一种粒子,所谓振荡过程中被捕捉住的。在它们衰变时,释放出光,其分布与中微子的质量有关。这一辐射由光电管记录下来,科学家们对所记录的数据进行分析。

  中微子能以这样的方式变更形态的事实,说明它们像电子一样是有质量的,无质量的物体不能改变形态。相反,有质量的粒子在合适的条件下有衰变的可能性。

  在洛斯·阿拉莫斯小组所进行的实验中,他们计算出来的中微子的质量在0.5~5电子伏特之间(1电子伏特相当于一个质子的1/10亿质量的能量)。在每1立方米的空间内约有360亿个中微子,假设它们有质量,则它们的总质量要比所有已知星系质量的总和还要大。

  大多数科学家现在相信,暗物质是多品种的,决不止是一种物质。以往几年中,强有力的实验证明了MACHOs的存在。也有一些迹象表明有质量的中微子的优势。虽然,还未探测到WIMPs,但在星系和其他宇宙构形的演化的理论模型中,这类粒子是重要的组分。由此可见,说起暗物质,既意味着上面提到的任何一种,也可以包括所有的品种。

  要理解在宇宙中结构形成时物质和能量所起的作用,我们必须考察这两者在大爆炸的早期时刻是如何分布的。幸运的是,现代射电天文学对此时期提供了一个窗口。在对布满全部空间的微波背景辐射的分析中能够见到原初宇宙的一个异常清晰的轮廓。30多年前对此辐射的发现的确是一个偶然事件,但却使得科学能首次去研究大爆炸错综复杂的结构。

科学家绘制暗物质分布图 揭示星系吞噬过程(图)

图片说明:哈勃太空望远镜观测到的银河系NGC60933球状星团

,一个国际联合科研小组已经成功绘制了第一个详细的星系团暗物质分布图。这一分布图表明这种星系团正在吞噬其他独立星系继续增大,同时给暗物质的相关宇宙学理论进行提供了一种及时的检验途径。

  科学家研究的该星系团编号为CL0024+1654,是宇宙中最大的结构之一。该星系团距离地球45亿光年,由于太暗而不能用肉眼观测到。事实上它在天空中占据了与满月类似大小的一个区域。

  与所有星系团相似,该星系团80-85%的质量必定以一种“不可见”的暗物质形态存在,它们不释放辐射,只能通过它与其它可见物体之间的重力作用进行推测。

  天文学家用哈勃太空望远镜对该星系团的39个区域进行了观测,但主要集中在了位于星系团极后部的星系上。这样做的目的是为了发现星系团对远距离星系重力作用所引起的星系团本身重力场的细微变形。这种弱重力透镜现象使研究人员能够推算出这个范围达2000万光年的星系团中质量及暗物质分布状况。

  支持冷暗物质理论

  科学家于周四在悉尼举行的国际天文学联合会大会上对这项研究成果进行了表述。此前学术界对星系团质量分布状况存在很大分歧,并缺乏清晰的观测结果。科学家是首次提供如此详细的星系团物质分布图。

  结果表明,星系团中的质量分布沿边缘方向迅速减少。这与此前的冷暗物质理论的预测能够很好的相符。这表明暗物质很可能就是移动缓慢的重粒子,学术界称为弱作用力重粒子(WIMPS)。这些粒子比热的快速移动的中微子等更容易聚集在一起。

  吞噬星系继续扩大

  科学家还发现证据表明该星系团依然通过吞噬其它星系继续增大。一旦一个星系本完全吞噬,其暗物质将扩散开来分布于整个星系团。目前,在 CL0024+1654星系团内部还有一些边缘星系依然具有自己的暗物质,这表明这些星系还处在被吞噬的初期阶段。

  由于此项观测的成果令人鼓舞,该研究小组获得了更多的经费和观测时间。对CL0024+1654星系团的观测达到120小时,这创造了对单个星系团观测时间的纪录。该项研究成果已经被《天体物理学杂志》接收并将出版