宇宙暗物质之谜

现代天文学的三朵乌云：暗物质、暗能量、“先锋号”反常，是当前天文学最前沿的研究领域，而暗能量是其中最为神秘的。对于暗物质，虽然现在还不清楚它的实质，但可以从它的引力效应表明其存在，并且还能估计出它的数量约为可观测(用各种波段)物质的6倍。而暗能量更模糊，不仅没有引力效应，可能还有相反作用。

　　要说明暗能量情况，必须先从爱因斯坦提出广义相对论谈起。他在1915年11月发表的论文中，描述了物质和时空(包括时间和空间)的关系，是用一个重要的方程式表达，就是著名的爱因斯坦方程。用此方程预言；在一个物质分布大致均匀的宇宙中，空间不可能是静止，不是膨胀就是在收缩。而当时的天文学观测水平，还没有发现遥远星系的运动，看起来宇宙好像是静止的，这就使爱因斯坦感到困惑。为了能说明宇宙是静止的，他没有宣布根据场方程所得宇宙不是膨胀就是收缩的预言，而是大胆地在场方程中增加一项，其系数是常数。它代表宇宙中单位体积包含能量的总和，后来此常数得到公认，就命名为“宇宙常数”或“宇宙学常数”。他在1917年的论文中说明，此常数有一个特定的非零数值，可使宇宙保持静止。
　　但是到1922年，一位俄罗斯数学家弗里德曼证明，爱因斯坦提出的这种静止宇宙是不稳定的，一点轻微的干扰或波动就会被破坏，使宇宙膨胀或收缩。爱因斯坦先发表申明，认为弗里德曼错了。不久又正式发表文章，收回这个申明，公开宣布弗里德其实是正确的。
　　对静止宇宙看法的致命打击是在1929年。美国天文学家哈勃用当时世界上最大望远镜多年观测的资料，发现遥远星系都在离开我们向外运动，而且运动速度与星系的距离成正比。用公式表达为：v=HD

　　其中v代表向外运动速度，H为常数，D就是星系同我们的距离。此公式得到公认后，就命名为“哈勃定律”，H就命名为“哈勃常数”。这个定律成为膨胀宇宙的观测证据。爱因斯坦得知后，曾对熟悉的科学家说，他自己引入非零宇宙常数是‘最大错误’，并多次建议取消宇宙常数。但当时不少著名科学家认为不能取消，也许非零宇宙常数有另外的物理意义。果然在70年后(1998年)，这个非零宇宙常数，同暗能量挂上钩。

　　在这70年间，天文学有迅猛的发展。人们还建立了接收天体无线电波辐射来研究天体的“射电天文学”；开创了将天文仪器放到人造卫星上观测研究天体的“空间天文学”等；发现了大量的不同距离的遥远星系和由很多星系组成的集团；又发现很多比一般星系更遥远的天体――‘类星体’，我们能观测到的距离达140亿光年。

　　

现在大多数科学家都支持宇宙起源于大爆炸，在不断膨胀和冷却过程中逐步形成基本粒子、化学元素、化学分子、星系、恒星、行星等。首先要考虑的重要问题是宇宙大范围空间是平坦或是弯曲的?因为按照爱因斯坦的广义相对论，密度较大物体的引力使得附近空间弯曲；但这仅是局部情况，对大范围宇宙空间而言，密度很低，引力弯曲效应可能微不足道。故大范围宇宙空间仍可能平坦，与常人直观感觉一样。这种结论最好有较明确的证据。描述弯曲程度的量是曲率；曲率为正是正向弯曲(像椭圆)；为零是平坦，为负是负向弯曲(像双曲线)。1979年，在美国工作的物理学家古思根据直线加速器的实验，提出宇宙大爆炸初期有暴胀期，在极短时间内(不到万亿分之一秒)暴胀1050倍。这个结果经几位科学家做少量补充修正后。逐步得到大家承认。暴胀理论可以说明宇宙是平坦的，曲率为零。

　　根据爱因斯坦的广义相对论，曲率为零的膨胀宇宙平均密度有确定的数值，称为临界密度。可是由已知宇宙全部物质得到的平均密度，比临界密度小得多：加上所估计的暗物质眉，得到的密度还不到临界密度的1/4。到1990年以后。一些科学家重新提出，若宇宙常数不等于零，它就是单位体积包含的能量大小，可称为能量密度。按照爱因斯坦的著名公式：
　　E=mc2
　　其中E代表能量，m代表质量，C为光的速度，即每秒30万千米。也就是说，质量为1克的物质，对应于9万亿亿尔格的能量，则这部分能量所对应的质量也可以为宇宙平均密度作出贡献。由于这部分不是由已知物质或暗物质提供的，因此称为暗能量。它的大小能否由观测资料算出来呢?
　
　设临界密度为D，由已知物质和暗物质提供的宇宙平均密度为A，由暗能量提供的平均密度为B。再设a=A/D，b=B/D。根据现在所知的物质和暗物质资料，可算出a=0.25，问题是怎样算出b值。

　　暗能量起什么作用呢?宇宙在不断膨胀，由于宇宙内物质(包括暗物质)的相互引力作用，应该阻碍膨胀，故宇宙的膨胀速度应逐渐减小。哈勃在1929年提出哈勃定律时，因星系资料不多，得到的宇宙膨胀速度接近常数。如果用70多年来积累的更多更精确的观测资料，证明宇宙膨胀速度真的在不断减少，暗能量作用就不明显。假如情况相反，观测资料证明宇宙在加速膨胀，则暗能量就起了与引力相反的作用，加速宇宙膨胀。

  
　　要证明这点，需要得到更多遥远天体的准确距离。20世纪90年代初，很多人注意到超新星。这是由原来看不见暗弱恒星突然增亮到看见，好像新出现的星，故中国古代人取名为新星：如果亮度增加超过一千万倍，现在就称为超新星。当时在美国成立了两个超新星研究组，一个在哈佛大学，另一个在加州大学伯克立分校。他们互相竞争和监督，同时研究一种特殊类型超新星，它们是由高密度的白矮星(表面温度高，但体积很小的恒星)质量超过临界值时爆炸而成，最亮时的绝对亮度几乎一样。同用观测得到的视亮度比较，就可以算出超新星的距离。两个组独立地用人造卫星上望远镜的精确观测资料，发现了几十颗这种类型的超新星，分布在各个遥远的星系或其他天体中。算出距离后发现，这种超新星的距离比用哈勃定律算出的更远。这说明宇宙在加速膨胀!而且他们还根据膨胀速度的变化，估算出a，b的差值为b-a=0.46。即b=0.46+0.25=0.71。


　　1998年2月，两个研究组同时公布彼此独立研究的结果，引起轰动。当然这些数值存在一定误差，其中a+b=0.96。同1的差别也在误差范围之内。这说明已知物质、暗物质与暗能量提供的宇宙平均密度，同平坦宇宙的临界密度相等。以后几年用其他的观测资料算出的a+b=1.02，与1更接近。这表明，宇宙是平坦的，暗能量是存在的，而且是加速宇宙膨胀的主要因素。
　　以上结果还不能算最后结论，需要用更多更精确的观测来证实。即使暗能量真的存在，也还有下面的问题需要解决：
　　首先要弄清楚暗能量的实质，它既然不是观测到的物质或暗物质，究竟是什么玩意儿?是一种什么样的能量?
　　其次是要弄清楚暗能量加速宇宙膨胀的机制，怎样起加速作用?有人认为是一种斥力，因为它与引力作用相反。即使是斥力。也需要建立相应的理论和作用规律。
　　另外还要考虑以后的变化。粗略看来，随着宇宙不断膨胀，由物质和暗物质提供的宇宙平均密度会不断减小，即a值在减小。但整个宇宙保持平坦，即a+b=1；则b值要不断增加，也就是暗能量增加，更加速宇宙膨胀。这种循环会产生什么后果?
　　总之，暗能量仍然是一个谜。