第9章 宇宙的暗物质之谜
宇宙中的绝大部分物质似乎不见了,这真让人不知说什么好!
要确定宇宙的物质总量,我们有两种方法:测量物质产生的引力,或者测量发光天体的光度。所有的物质无一例外都有引力,但它们不会全都发光(见图9-1),所以,用第一种方法算出来的物质总量要比第二种方法的大,事实也的确如此。
暗物质
天文学家以前认为宇宙中的物质大都以恒星的形式存在,恒星又会发光,所以,宇宙中的绝大部分物质都是可以被看见的。没想到,不算不知道,他们一算,才发现宇宙中的绝大部分物质并不发光(见图9-2)。就因为我们无法看到这些物质,所以天文学家简单地把它们叫作暗物质。在20世纪30年代,暗物质之谜最先引起了瑞士天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)的注意。我们将在第二部分的第15章“超新星爆发”里,详细讲述这位天文学先驱的事迹。
是不是出错了
首先要回答的问题是,测量结果是否有误。毕竟,星系离我们有几百万光年,要想测量它们的性质可没那么容易。不过,天文学家在这个问题上已经辛苦耕耘了数十载,目前已掌握了暗物质存在的确凿证据。
在20世纪70年代,薇拉·鲁宾(Vera Rubin)用一种巧妙的办法测量了星系的质量。她选择侧向旋涡星系(见图9-3)作为研究对象,观察其两端发出的星光。由于星系旋转,一端的恒星远离我们,星光发生红移;另一端的恒星则靠近我们,星光蓝移。鲁宾通过测量这个多普勒效应,计算出星系的旋转速度,再由此推算出星系的总质量。结果表明,星系的旋转速度非常快,仅靠可见的那些物质根本拉不住它,它会因为转得过快而解体,这暗示着在星系盘的外面还有一层暗物质晕在包裹着它。
星系
想要测量遥远星系和星系团的质量,我们还可以利用引力透镜(见图1-5)。这些宇宙里的透镜告诉我们,星系团里的可见物质力量有限,不足以让光偏折得那么厉害,所以宇宙中一定存在大量的暗物质。
大谜团
暗物质到底是什么?这是最大的谜团,也是一切都开始变得模糊不清的地方,因为所有显而易见的答案(例如还未形成恒星的黑暗气体云,或者燃尽的恒星残骸)都不是正确答案。大爆炸模型根据目前已知的普通物质的总量,能够很好地解释许多现象。尤其是在大爆炸中合成的重氢(氘)和氦的数量,理论预测与观测结果完全相符。但如果早期宇宙的物质密度比预想的要大得多,预测结果就与观测不一致了。
MACHO与WIMP
暗物质有两个候选者,一个是晕族大质量致密天体(MACHO),另一个是弱相互作用大质量粒子(WIMP)。MACHO是银河系的晕(银晕)里的一些恒星残骸(如白矮星和中子星),由于燃料耗尽,发不出光来。巡天观测已经找到证据,表明银晕中确实有这样的不发光天体。虽然我们无法直接看到它们,但在极少数情况下,它们会碰巧从我们和一颗遥远恒星的中间穿过,它的引力会让那颗恒星突然变亮。我们已经见到过这种微引力透镜事件,但它们出现的次数太少,或者说MACHO不够多,根本无法解释为什么宇宙中有那么多暗物质,所以绝大多数物理学家都相信,数量众多的WIMP才是暗物质的最佳人选。
WIMP是稳定粒子,与普通物质只有非常微弱的相互作用——也许只有引力,但肯定没有电磁力,这或许可以解释为什么暗物质自成一体,形成一个独立的晕包裹着星系,还可以解释科学家为什么至今都没在粒子对撞实验中见过WIMP的身影。
宇宙遗迹
早期宇宙曾经产生过大量的中微子,恒星和超新星爆发也在不断放出中微子,所以宇宙中也有不少中微子。科学家曾经认为中微子就是暗物质,但它的质量实在是太小了,即使数量庞大,但把它们全都加起来也赶不上暗物质的量大。大多数物理学家相信,暗物质是一种未知的稳定粒子,这种粒子在宇宙的极早期大量产生。找到它是大型强子对撞机的主要目标之一。
探测器实验
大型强子对撞机的实验人员希望在质子对撞的碎片里,找到新生成的暗物质粒子。不过,我们还有别的办法找到这些神出鬼没的粒子。如果宇宙中到处都有暗物质,那么在我们的周围也应该有不少暗物质。全世界有不少实验项目正在翘首以盼,等着暗物质跑到我们跟前来,XENON100实验就是其中之一。这个实验装置被深埋在意大利格兰萨索国家实验室的地下(见图9-4),这样做可以使它免受宇宙射线和其他背景粒子的干扰。实验室的工作人员先用几乎没有放射性的物质制作一个罐子,然后往罐子里倒入165千克液态氙。他们对液态氙进行监测,看看是否有外来的未知粒子闯入液体,与氙原子中的电子发生碰撞。这种碰撞会电离氙原子,使它放出电子并发出紫外光,实验人员一看到这个信号,就知道有粒子碰撞事件发生了。
这些年来,世界各地开展了各种各样的实验,一门心思地寻找暗物质,却都一无所获。不过,想想我们花了48年才发现希格斯玻色子,现在就放弃寻找还为时过早。研究人员将尽力提高探测器的灵敏度,继续寻找,期盼着有朝一日成为捕获WIMP粒子的第一人。
其他解释
关于暗物质的问题,可能还有另一种解释,有些人肯定是这么想的。我们找了这么久,为什么连一个WIMP粒子都没找到呢?有人给出了一个不错的理由:因为它们根本不存在。星系和星系团能够产生巨大的引力,这一点无人质疑,但却有人对引力理论心存疑虑,认为有必要提出一个全新的引力理论。他们声称,如果引力的作用力比预想的再强一些,那么我们就不需要暗物质了。虽然这只是少数人的想法,但这样的新理论已经出现了。然而,这些理论没有一个能够替代广义相对论。
广义相对论被公认为有史以来最精妙的理论,绝大多数物理学家很难再接受另一个引力理论,除非它和广义相对论一样出色。不仅如此,广义相对论的预言都已被证实无误,而且它带来的惊人成果还将继续得到确认。既要符合广义相对论的所有精准预测,又不能让暗物质来帮忙,这对一个新理论来说,可是非常高的要求了。
咬住“子弹”不放松
在距离我们37亿光年的地方,两个星系团并合后,形成了一个更大的星系集合体——子弹星系团(见图9-5)。这个星系团非常与众不同,新引力理论一遇到它就失效了,因为它的暗物质与可见物质并不在一处,而是彼此分开,各自为营。
子弹星系团里有两团非常炽热的气体云,星系团里的普通物质大多集中在那里,就算把成员星系里的普通物质全部加起来,也远没有那两团气体云多。在星系团并合的过程中,气体被加热到非常高的温度,发出X射线,这才让我们看到它。图9-5是一张子弹星系团的伪彩色图像,由于热气体不会发出可见光,所以科学家用红色标示它。科学家通过分析子弹星系团的引力透镜效应,推断出暗物质在星系团内的分布情况,在图中用蓝色标出。
在子弹星系团里,把两团气体云和成员星系里的可见物质加在一起,也远没有暗物质多。更重要的是,暗物质与普通物质互不重合。根据正统的引力理论,再加上暗物质理论,出现这样的情况并不奇怪,因为在星系团并合前以及并合过程中,热气体会受到电磁力和引力的影响,而暗物质只受到引力的作用。相比之下,新的引力理论很难解释我们在子弹星系团里看到的情形,因为它虽然增强了引力的长程作用,使星系团仅靠可见物质也能产生引力透镜效应,但由此推算出来的引力透镜效果却与观测不符。子弹星系团因此被视为暗物质存在的直接证据。
尽管如此,暗物质的本质至今仍是一个谜,物理学家期望着在不远的将来解开这个谜。
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