宇宙的组成：宇宙之网中存在暗物质

萝莉Small_Lo

融合了天文学、天体物理学以及宇宙学，科学家们正在探测我们所处的这张“宇宙之网”。

[图片说明]：星系团暗示着其中有暗物质的存在。

　　整个宇宙就像一张复杂的网，所有的恒星和星系都附着在它之上。诗人们也许会因此吟唱，但是在这些华丽的诗篇中却保藏着科学家们对宇宙的认识。揭开这张“宇宙之网”将会是天文学家、天体物理学家和宇宙学家们的下一个巨大挑战。
　　宇宙之网是构筑宇宙的框架。它主要由占宇宙物质85%的暗物质构成，但是这些暗物质除了引力作用之外不存在其他任何的相互作用。在宇宙逐渐演化的过程中，出现了巨大的由物质聚集形成的纤维状结构。在其中落户的星系与恒星，它们发出的光芒打破了黑暗的寂静。更为神奇的暗能量则驱动着宇宙加速膨胀，影响着宇宙之网的演化。
　　这就是宇宙的宏观图像。现在科学家们正打算深入其中的细节。暗物质和暗能量的性质是什么？宇宙之网是如何精确组织的？宇宙之网张开的范围从单个星系一直延伸到了可观测宇宙的边界。它的演化描绘着我们今天看到的、一直可以追溯到大爆炸的复杂性。同时它也在简约的宇宙学理论和丰富多彩的星系、星系团天体物理学之间架起了桥梁。
　　“对我来说，下个15年天文学和天体物理学中真正激动人心的事情就是认识我们看到的这张宇宙之网，”2007年12月聚会商讨宇宙之网探测未来的106位科学家之一、加拿大多伦多大学的天文学家霍华德·叶（Howard Yee）说，“但我们目前还无法告诉你，在某个时刻这张网中的某个星系究竟有多大。”
　　探测宇宙之网的过程正改变着天文学的面貌。美国芝加哥大学的天文学家迈克尔·格莱德斯（Michael Gladders）说，科学家们正在用全新的眼光来看待星系。“我们将看到经典天文学——在光学和红外波段观测遥远的天体——的复苏，唯一不同是我们现在一次能同时观测几百万个目标，”格莱德斯说。
宇宙的组成
　　10年前，由于需要额外的引力来束缚星系，因此绝大多数的理论家都同意暗物质的存在。随后紧接着的三个观测帮助宇宙学家们明确了宇宙的精确组成。
　　1998年，两个小组使用Ia型超新星爆发来测量宇宙的膨胀。让他们惊讶的是，和预计的减速膨胀相反，他们发现宇宙正在加速膨胀。
　　与此同时，天文学家们也正在进行星系巡天。作为2度视场星系红移巡天的一部分，天文学家们使用澳大利亚新南威尔士的3.9米英澳望远镜测量了约22万个星系的三维空间位置。这个计划从1997年开始一直持续到了2002年。另一方面，1998年启动的斯隆数字巡天使用美国新墨西哥州的2.5米望远镜精确测量了80万个星系。这些巡天的结果会帮助科学家们了解把星系束缚到一起的暗物质和把它们拆散的暗能量之间的相互作用。
　　之后的2003年，美国宇航局（NASA）的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）通过观测宇宙大爆炸的余辉——微波背景辐射，为我们带来了婴儿宇宙的图像。宇宙被认为始于无穷大的密度和温度，随后瞬间膨胀增大了100倍。在这个被称为“暴涨”的阶段之后，宇宙便放缓了膨胀的速度。40万年后，宇宙进一步冷却，使得质子和电子形成了氢原子。这一转变释放出了被束缚的光子，随着宇宙的膨胀它就成了今天我们观测到的温度为2.725开的微波背景辐射。
　　微波背景辐射并不是完全均匀的。暴涨在新生的宇宙中放大的无穷小量子涨落最终成为了宇宙之网中纤维结构的种子。量子涨落同时还造成了微波背景辐射的温度在全天的跨度上出现0.001%的变化。通过分析这一温度起伏并且结合超新星和星系团的观测数据，WMAP的科学家惊奇地发现，宇宙由73%的暗能量、23%的暗物质和4%的普通物质组成，同时还得出宇宙的年龄为137亿年。

[图片说明]：微波背景辐射和所“对应”的星系分布。

　　“由于涨落足够大利于测量，同时它又很小利于研究，因此微波背景辐射真是天赐良机，”NASA戈达德航天中心的宇宙学家盖瑞·辛肖（Gary Hinshaw）说，“你可以立刻从涨落的谱中得到有关参数。”但是很多问题依然还不清楚，美国芝加哥大学的宇宙学家爱德华·库伯（Edward Kolb）说。“我们大致的图像是正确的，”他解释道，“但是对于星系如何形成、如何相互作用的细节以及星系并合的重要性等问题还有待进一步的研究。”
身处玻璃鱼缸
　　科学家们希望可以由近到远、从现在到过去地追踪宇宙之网。尽管我们已经能观测到来自大爆炸之后40万年的辐射，但是我们也已经开始探测我们附近的宇宙之网。因此我们有一点像是鱼缸中的金鱼，既能看到污迹斑斑的玻璃又能看到身边的城堡。而两者之间的正是有待发现的。
　　科学家们正在绘制位于暗物质纤维结构上的星系。2005年，他们在星系的分布和微波背景辐射之间建立起了联系。在原子形成前物质进入原初涨落的时候，质子会撞击光子，形成海啸般扫过宇宙的声波。根据在微波背景辐射中留下的印记，这些波在原子形成前大约传播了10万个秒差距，相当于32.6万个光年。
　　随着宇宙膨胀了1000多倍，长度结构也会显现在星系中。美国宾夕法尼亚大学宇宙学家拉维·沙斯（Ravi Sheth）说，根据斯隆巡天的结果，通过比较星系之间的距离，科学家们发现对于某一个给定的星系随着和它距离的增加发现另一个星系的概率也会增加。对这一“重子声速振荡”的更精确测量将会为科学家们提供另一条研究宇宙膨胀、揭示暗能量属性的途径。
　　同时科学家们也在通过对星系团的计数来探测宇宙之网，这些星系团是单个星系落入巨大暗物质团块而形成的。星系团的尺度和数量可以揭示出暗物质的分布。同时，暗能量的拉伸效应则会抑制大质量团块的形成。因此加拿大多伦多大学的叶说，统计不同红移、不同大小的星系团的数量有望揭示出这两者的性质。
　　此外他还说，使用光学和红外望远镜能较为容易的观测到星系团。这是因为星系团中的星系通常都较为年老，且其中充满了红巨星，它们会发出相同颜色的光。因此根据星系的颜色，天文学家们就能立刻区分出一个星系是否隶属于某个星系团以及这个星系团的红移。使用这一技术，叶及其红色序列星系团巡天计划的同事利用夏威夷的加拿大-法国-夏威夷望远镜已经观测了1000平方度的天空，发现了2万个星系团。
　　通过观测暗物质纤维结构的引力对遥远星系影像的扭曲，科学家们正在试图发现它们。美国宾夕法尼亚大学的宇宙学家盖瑞·伯恩斯坦（Gary Bernstein）说，被称为“弱引力透镜”的这一技术使得科学家们可以直接探测暗物质团块，而不必去寻找位于这些暗物质团块中的恒星和星系。
　　由于弱引力透镜效应，星系因此会看上去倾向于整齐排列，就像是鱼群中的鱼。2000年科学家第一次观测到了这一现象，而2007年美国加州理工学院的天文学家理查德·梅西（Richard Massey）及其同事则又往前迈了一大步。利用哈勃空间望远镜拍摄的50万个星系，他们把位于3个不同距离上的引力透镜星系和宇宙之网的大致三维结构进行了对比。伯恩斯坦说，科学家们希望能在更大的范围上进行类似的三维研究。
另眼看宇宙
　　使用光学和红外望远镜观测星系并不是研究宇宙之网的唯一途径。射电天文学家通过观测微波背景辐射中的“斑点”也能发现星系团的踪迹。这些宇宙微波背景辐射中的斑点是由苏尼阿耶夫-泽尔多维奇效应造成的。加拿大蒙特利尔麦克吉尔大学的天体物理学家马特·道布斯（Matt Dobs）解释说，当背景辐射中的微波光子与星系团里高温电离气体中的电子发生碰撞的时候，会改变光子它的能量，暴露星系团的位置。他进一步说，由于这一效应并不依赖于星系团自身的亮度，这将有助于发现那些更暗弱、更遥远的星系团。
　　到目前为止，绝大多数的观测已经探测到了由已知星系团造成的这一效应。但是由8架3.5米射电望远镜组成的苏尼阿耶夫-泽尔多维奇阵正在6平方度的天区分全盲搜索新的星系团。同时，位于智利的6米阿塔卡马宇宙学望远镜和10米的南极望远镜也将分别扫描200和4000平方度的天空，它们将发现数千个星系团。
　　星系并不是科学家们的唯一选择。绝大多数的普通物质并不在恒星和星系中，而是位于巨大的中性或电离气体云中。天文学家通过观测天上的灯塔类星体来探测这些中性氢云。不管什么时候只要类星体发出的光穿过中性氢，其中的一部分就会被吸收，并且在光谱中体现出来。美国卡内基研究所天文台的天文学家迈克尔·劳奇（Michael Rauch）说，吸收发生的波长可以反映出中性氢云的红移，吸收的宽度可以揭示出它的温度，吸收的深度则可以告诉我们星云中气体的含量。通过研究大量的类星体，科学家们希望借此能描绘出这些气体在宇宙之网中的分布。
　　科学家们也许还能更进一步。当原子中的质子翻转的时候，中性氢会在21厘米的波长上发射出射电辐射。天文学家们想通过它来探测宇宙年龄小于10亿年时中性氢的分布，那时第一代恒星正在形成。但是，为了做到这一点，他们将需要使用计划中的一平方千米阵（SKA），这个阵将由几百架射电望远镜组成，计划在下一个十年在澳大利亚或者南非建成。
我们成团的近邻
　　星系形成于宇宙之网的小型节点中，科学家们正在试图搞清楚它们是如何形成的。因为星系中暗物质占主导的图像很模糊，因此搞清楚这个问题十分重要。“在大尺度上暗物质模型与观测符合得很好，”美国哥伦比亚大学的天体物理学家凯瑟琳·约翰斯顿（Kathryn Johnston）说，“但是在小尺度上就存在一些问题了。”例如，数值模拟预言银河系应该拥有比目前观测到的更多的小型卫星系。
　　目前天文学家们对星系的形成知之甚少，在他们的数值模拟中他们仅仅让暗物质在其中演化，只是到最后才把星系“画”到暗物质团块和节点中去。为了填补认识上的空白，天文学家们正在研究我们自身——银河系。“银河系是唯一一个我们能获得其中恒星位置和速度三维数据的星系，”美国伦斯勒理工学院的天体物理学家海蒂·纽伯格（Heidi Newberg）说。

[图片说明]：星系碰撞。现在认为，类似银河系这样的大型星系都是通过小型星系并合而形成的。

　　银河系中的绝大部分恒星都位于银河系的薄盘中，而同时薄盘被暗物质晕所包围。科学家们曾经认为这个晕是平滑的，其中的恒星也是均匀分布的。在过去的十年中，正是由于斯隆巡天对恒星的研究才使我们逐渐转变了观点。“当我们不断挖掘数据，我们就会看到越来越多的成团性，”纽伯格说，“它们到处都是，大小不一，有的甚至还能贯穿整个天空。”
　　纽伯格说，因此晕看来只能是通过小型星系并合所产生的。当小型星系掉入银河系的时候，银河系的引力会它们身上拉出一条潮汐星流，例如人马座星流。通过测量恒星的位置和速度，科学家们可以从统计上确定哪些恒星属于星流。而通过比较这些恒星的化学组成，它们就可以被更清楚地区分开。
融会贯通
　　最终，宇宙之网会在宇宙学和天文学与天体物理学之间架起一座桥梁。宇宙学家们渴望简化宇宙，只留下最基本的成分和规律。天文学家和天体物理学家们则试图研究天体如何演化以及它们之间是否彼此关联。总体上讲，宇宙之网把这两者网罗到了一起。实际如何还需拭目以待。“从现在起的10年或者20年后，我们也许可以回过头来看它的整合作用，”库伯说，“但是现在我们还有一步之遥。”
　　然而，对宇宙之网的关注正在改变天文学的基本面貌，促成了越来越大规模的巡天。例如，虽然斯隆巡天仍在继续，但是暗能量巡天计划的科学家打算使用智利中美洲天文台的4米布兰科望远镜观测5000平方度的天区、精确测量2亿个星系。从2008年起，全景巡天望远镜与快速反应系统将开始对全天3/4的天区进行巡天。同时科学家们已经提议建造口径8.4米的大口径全天巡视望远镜，通过采用30亿像素的照相机同时可观测10平方度的天区。并计划从2014年起测定30亿个星系的位置和红移。
　　许多项目都打上了“越大越好”的标签。“你身处这一大潮之中，”美国国家射电天文台天文学家史蒂文·迈耶斯（Steven Myers）说，“大规模巡天的新时代即将到来。”
　　随着巡天计划正在变得越来越大，一些学者开始讨论观测宇宙中所有可观测的1千亿个星系。美国密歇根大学的天体物理学家、同时也为斯隆巡天和暗能量巡天工作的蒂莫西·麦克凯（Timothy McKay）说，虽然宇宙总会在你面前呈现出新的神秘，但是科学家们总有一天会搞清楚它的所用重要特征。“我们应该放眼未来，到那时我们可观测的宇宙将变得历历在目，”他说，“现在潜藏在宇宙中的未知事物将会在我们的有生之年暴露在我们的眼前。”
　　然而，天文学家们暂时不会把所有的星系都观测完。同时，为了更深入地了解我们所处的这张宇宙之网，科学家们还有很多事情要做。