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宇宙暗物质之谜

2015-10-30

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。
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