暗物质是什么？宇宙基础形态的重要条件

伤我心太深

　　探寻宇宙的黑暗面:暗物质决定了宇宙今天的形貌

　　暗物质，尤其是冷暗物质的演化，决定了如今我们所见宇宙的模样。这是天文学家研究暗物质多年以后达成的一个共识。21世纪初，许多新上马的大型巡天项目都证实了一件事：星系在宇宙空间中的分布并不均匀，而是排列成一些巨大而怪异的片状结构或纤维状结构，前者称为星系墙，后者称为星系纤维。这是目前已知的宇宙中最大的结构。而在更大的尺度上，宇宙的物质分布就变得均匀了。事实上，宇宙的均匀性和各向同性也是现代宇宙学的两个基本假设。典型的星系纤维尺度约为3亿光年，几条星系纤维相接的点称为节点，是宇宙中物质密度最高的地方。纤维和墙围成的区域称为空洞，空洞内的星系密度远低于纤维和节点。那里没有恒星，没有星云，就连暗物质都很难侦测到，堪称宇宙中最荒凉的地方。星系墙、星系纤维、节点和空洞合称为宇宙的大尺度结构(LSS，Large-scale Structure)。



　　宇宙中的星系团为什么会组成墙、节点、纤维、空洞等大尺度结构?威尔金森微波各向异性探测器绘制的全天微波背景辐射分布图，展现了宇宙大爆炸后38万年背景辐射能量的全天分布情况。彼时，对应的红移值约为1100(大爆炸时对应的红移值是无穷大)。由于时空的膨胀效应，宇宙中辐射的波长一直在拉长。当宇宙年龄为38万岁的时候，物质与辐射间发生了退耦。这意味着辐射光子可以在时空中自由穿行，成为一种背景辐射，蔓延至太空的各个角落。我们的宇宙第一次变得澄明起来。威尔金森微波各向异性探测器发现，宇宙微波背景辐射具有高度各向同性的同时，还存在一些微小涨落，涨落幅度小于平均值的千分之三。


       这是宇宙早期物质的密度涨落在微波波段留下的痕迹。它表明，宇宙大爆炸后38万年，物质密度的扰动还不足千分之几。那么，这区区千分之几的密度涨落“种子”，是如何演化成今日弥漫宇宙各处的节点、纤维和空洞等大尺度结构的呢?通过计算机数值模拟，天文学家发现，单靠重子物质间的引力凝聚作用，大爆炸后138亿年的宇宙仍旧一片黑暗，连一颗恒星也诞生不了。寒冷而稀薄的物质如同淤泥般均匀，了无生气。若现实如此，那生命和人类也就不复存在了。




　　目前的观测表明，许多星系和类星体是在红移值1至6期间形成的，在红移值6至11之间形成的星系或类星体非常稀少。迄今，哈勃空间望远镜观测到的最远天体，是一个编号为GN-z11的高红移星系，其红移值达到了11.09，相应的到地球的距离约320亿光年。它的光芒来自大爆炸后仅4亿年。有天文学家认为，宇宙中最早一批诞生的天体可追溯至红移值20至30時期，它们属于所谓的星族Ⅲ天体，但目前还没有直接的观测证据证明这一点。现在，人们常把红移值10至1000的时期称为宇宙的“黑暗时代”(Dark Ages)，因为在此期间，除了弥漫太空的背景辐射外，没有任何发光天体被观察到。天文学家对这一时期宇宙中究竟发生了什么几乎一无所知。不过可以肯定的是，冷暗物质的引力聚集效应在大尺度结构的形成和演化过程中起到了决定性作用，它大大加速了正常物质的凝聚进度，使宇宙仅用4亿年便走完了它的“黑暗时代”。







　　暗物质与星系形成


　　从物理学的角度看，以冷暗物质为主导的星系和宇宙大尺度结构的形成过程很复杂，其中需要考虑的物理机制和反馈效应非常多。除此之外，占宇宙物质总量绝大部分的暗物质的本质到现在也不很清楚，只能先做某些假设。由于这些方面的原因，以大型计算机为基础的超大规模宇宙学模拟已经成为星系形成和宇宙大尺度结构研究领域中越来越重要的手段。图3展现的是一幅典型的宇宙大尺度结构模拟图。对比图1和图3可以发现，两者的相似度很高。这是数值模拟技术的伟大胜利，它至少证明接下来我们讲述的宇宙大尺度结构的演化图像，与“黑暗时代”曾经发生过的真实情形，在某种程度上是比较接近的。


　　首先，冷暗物质与辐射发生退耦的时间点非常早。目前，天文学家尚不清楚冷暗物质粒子(WIMPs)之间除了万有引力外，是否存在弱相互作用。若猜测属实，那么，冷暗物质与辐射间的退耦应发生于轻子时代。彼时，宇宙的温度约为1011K，年龄只有几百分之一秒。此后，冷暗物质便以暴胀时代遗留下来的密度扰动为“种子”，开启了独立的演化进程，直至今日不曾间断。要知道，在轻子时代，构成你我的普通重子物质才刚刚从大统一方程(GUT)的余烬中沉淀出来，还是一锅等离子体的热汤，弱相互作用与电磁相互作用扭结在一起难分彼此。总之，除了暗物质以外，一切还都处于混沌未分的热平衡中。


　　没有了辐射的驱散作用，冷暗物质粒子想要在万有引力的作用下发生凝聚，还必须克服宇宙自身的膨胀效应。理论分析表明，后者在某种程度上确实能延缓冷暗物质的坍缩进度，却无法彻底阻止它。在今天，人们喜欢用“无摩擦的坍缩流体模型”来描述冷暗物质的凝聚过程，原因是摩擦作用本质上也是一种电磁相互作用，而暗物质粒子是不参与电磁相互作用的。因此，冷暗物质不能像正常的星云那样以热辐射的形式耗散掉多余的引力势能，只能将其转化为WIMPs的动能。一般来讲，均匀分布的暗物质在三个空间方向上的坍缩速度总是有些许差别的。当第一个方向(也就是坍缩速度最快的方向)坍缩完毕后，原本均匀分布的暗物质就会形成类似片状的结构;片状的暗物质继续收缩，当第二个方向也坍缩完毕的时候，就变成了纤维状;纤维状的暗物质继续收缩，从中部扯断了原先的纤维，最终演化成高密度的节点。至此，所有观测到的宇宙大尺度结构都依序出现了。重子物质与背景辐射的退耦发生于大爆炸后38万年，此时，冷暗物质的坍缩格局业已形成。在后者强大的引力作用下，占所有物质比例不到1/6的重子物质纷纷落入冷暗物质提前架构好的引力势井内，并很快催生出了第一代恒星、星系和类星体，结束了宇宙的“黑暗时代”。


　　这便是暗物质演化的全部秘密吗?恐怕不是。整个故事虽然表面上看起来顺理成章，但其中的许多环节还经不起推敲，甚至与实际观测存在出入。目前，天文学家仍在不断打磨这个故事，仔细考察它的每一个环节。这并非简简单单的完善和修补工作，而是一个重新解读、重新认知的阶段。说不定在打磨故事的过程中，天文学家会找到探秘暗物质本质的金钥匙。笔者始终相信，时至今日，人类距离揭开暗物质神秘面纱的一天已为期不远!

　　何为暗能量

　　说完了暗物质，我们再来说说暗能量(Dark Energy)。时间回到20世纪八九十年代。当时，以爱因斯坦场方程为基础的标准宇宙学模型遇到了一个尴尬的困难，即：对于一个纯粹由物质(包括辐射)构成的宇宙，根据弗里德曼方程组计算出的宇宙年龄只有大约93亿年，这比银河系里的许多白矮星和球状星团的年龄还要小。这明显是荒谬的。直到1998年，来自美国的两个超新星研究小组，即超新星宇宙学项目组SCP和高红移超新星搜寻组，仔细测量了河外星系里爆发的几十颗高红移的Ia型超新星(参见图4)，结果发现，这些高红移超新星遵从的“红移—视星等关系”显示目前的宇宙似乎正在加速膨胀，而且，加速因子的数值与当时人们普遍认为的平直宇宙和开放宇宙都不同，而应当是一个宇宙学常数项Λ 不为零的平直宇宙。正是由于这项发现，两个超新星研究小组的三名天文学家：索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯共同分享了2011年度诺贝尔物理学奖。令人欣喜的是，宇宙加速膨胀的事实使得宇宙年龄的矛盾得以解决。理论分析表明，加速膨胀的宇宙年龄比没有加速膨胀的宇宙年龄更长，约为137亿年。根据2013年发射的普朗克卫星发回的最新数据，宇宙年龄的精确值被进一步修正为138.2亿年。


　　那么，宇宙学常数项Λ不为零代表的含义究竟是什么?单从数学的角度看，爱因斯坦场方程里的Λ只是一个无法被人为排除的平庸项，像是不定积分公式里甩不掉的“常数尾巴”，它的取舍只能取决于实际的天文观测。从物理的角度看，Λ不为零代表了真空本身也具有一份恒定不变的能量，即所谓的暗能量。热衷爱因斯坦八卦野史的读者或许听说过，为了得到一个与其心目中的“静止宇宙”相符的理论模型，爱因斯坦曾经武断地设定了一个Λ的数值，甚至还给出了计算公式。可是没过几年，美国天文学家埃德温·哈勃便根据河外星系的红移数据发现了宇宙膨胀的事实，而没有宇宙学常数项的爱因斯坦场方程恰好能描述这个膨胀的宇宙。这一下，爱因斯坦觉得自己犯下了一个十分愚蠢的错误(以后人的角度看，爱因斯坦此生最大的错误其实是对量子力学的反驳和嘲弄，而非添加宇宙常數)。不过，历史的发展总是非常具有戏剧性，后世的物理学家发现，宇宙学常数Λ不为零的爱因斯坦场方程恰好可以给出宇宙加速膨胀的合理解释!




　　事实上，针对暗能量和宇宙的加速膨胀，物理学家也曾经从量子理论出发，试图给出其他解释，其中多数涉及真空本质的问题。只可惜，这些解释中没有一个比爱因斯坦场方程更简洁、更具说服力，因此没有得到广泛认可。根据弗里德曼方程，宇宙的膨胀一旦被真空能主导，就会以指数形式永远膨胀下去。有趣的是，宇宙上一次以指数形式膨胀，还是在极早期的暴胀时代，二者在形式上有颇多相似之处。不过，由真空能主导的指数膨胀要“温和”许多，它将引导我们的宇宙走向所谓的“热寂”状态。许多物理学家都对这一结果深感失望和不安，似乎在人们的潜意识里，一个有始有终、无限循环的宇宙才是完美的。可是，物理学的规律从来不以人的意志为转移，曾几何时，就连爱因斯坦也认为我们的宇宙应当是静止而永恒的。


　　今天，不为零的宇宙学常数Λ已被现代宇宙学模型吸纳，进一步结合前面提到的冷暗物质模型，现代宇宙学模型又被称为ΛCDM模型。


　　暗能量的本质是什么

　　如前所述，从物理学的角度看，Λ不为零表示真空本身也具有一份能量，即真空能，其密度不随宇宙的膨胀发生变化。因此，在宇宙膨胀早期，宇宙学常数项Λ对宇宙演化的影响可以忽略。直到最近几亿年，其作用才突显出来。事实上，真空具有一定能级的想法由来已久。早在量子力学创立初期，物理学家就注意到，几乎所有的量子体系都有一个神秘的零点能(Zero-point Energy)。后来才知道，这是真空具有的能级，是不确定性原理的必然推论。从量子场论的角度看，所谓的真空其实是一种场的基态。这意味着在一定条件下，真空可以被激发，可以创生出物
质。20世纪80年代初由古斯和林德等人提出的暴胀宇宙学模型就建立在“真空相变”的假设上。根据这一理论，大爆炸发生后，我们的宇宙曾经历过一轮规模巨大的真空相变，原先的真空在一瞬间进入过冷态，在此期间，宇宙的尺度在10-33秒内急剧膨胀了1043倍，从微观尺度瞬间成长为宏观尺度!巨大的真空相变潜热将整个宇宙重新加热了一次，并留下了前文提到过的原初物质密度涨落。暴胀模型为我们描述了一幅极不寻常的宇宙早期图景，虽然在理论上还有许多问题有待探讨，但暴胀模型完美地解决了20世纪标准宇宙学模型遇到的“视界”和“平性”两大疑难。目前，该模型原则上已被国际学术界广泛接受。




　　利用量子力学的不确定性关系，也可以粗略估计一下真空的能量密度，但是所得结果与实际的观测相差了120多个数量级。这意味着一个发生概率完全可以看作是零的事件，竟然变成了现实。这样的偶然性很难让人接受。为了调和理论与观测间的巨大分歧，物理学家也提出了一些可能的机制，比如，费米子和玻色子对真空能量密度的贡献是相反的，由于对称性破缺，两者并非百分之百抵消，而是残余一个小量，即今天观测到的暗能量。目前这些还只是猜测，并未得到证实。这暗示我们，现代物理学有关真空的认识很可能也存在根本性的错误，看似虚无的真空实际上蕴藏了许多奥秘。而要真正破解这些奥秘，恐怕就要寄希望于传说中的量子引力论了。