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宇宙膨胀背后的故事(廿三):揭开宇宙的黑暗一面 精选

已有 3693 次阅读 2019-11-19 09:15 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

1973年的一天,普林斯顿大学的天文教授奥斯特里克(Jeremiah Ostriker)走进物理教授皮布尔斯的办公室,一脸困惑地表示他想不通银河是怎么回事。

奥斯特里克一直专注的是星球的旋转。处于高温高压气态的恒星在动力学上与一个液态的水滴相似:如果没有转动,星体会是一个标准的球形;如果在旋转的话,就会变扁。我们所在的地球因为自转也是一个扁球体:赤道处的半径稍大,两极则稍小。只是地球大致是固体,24小时一圈的自转也非常平缓,因而变形非常之小。

奥斯特里克钻研的是白矮星、中子星这些密度很大、自转又很快的星体,对各种处于旋转状态的外形很熟悉。这天他偶然瞥见一幅银河系的图像,突然觉得很不对劲。由众多恒星组成的星系的动力学本质上也与单个的星体、水滴类似。他知道,如果一个水滴或星球已经变得非常之扁,以至于基本上是一个二维的圆盘时,其转动会非常不稳定,或者被挤成一根细棍(bar shape)状,或者干脆分崩离析。

地球处于银河之内,没有人能够从外面看到她的全貌。但在1970年代,天文学家已经可以通过测量银河系内——尤其是边缘——星球的分布和速度构造出她的整体形状。与我们看到的银河之外的众多星系类似,银河像一个铁饼,中间微凸,四周则如平面的盘子。并在旋转着。

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欧洲南方天文台2009年制作的银河“全景图”。

奥斯特里克一眼就能看出这么个形状的星系最多转一两圈就会分解。然而,根据已经掌握的数据,银河自从诞生后已经至少转了十几圈。在银河之外,天上有数不清的圆盘式的星系。有些星系的中心的确有细棍的形状,但都很小,与整个星系相比微不足道。其它星系则干脆没有一点细棍的迹象,是相当标准的椭圆。它们都好好地存在并旋转着。

皮布尔斯听后很感兴趣。他在洛斯阿拉莫斯编写的用来模拟大型星系团的小程序在这几年中已经在他和几位研究生手中有了很大长进,模拟的数据点从区区300个增加到2000。原来那每一个点代表着一个星系,因此整体地构成星系团。现在他很方便地把每个点改为代表一个恒星,这样就有了一个星系模型。他把群星的初始位置设为一个平面的圆盘状,再给每颗星以合适的速度让整个星系旋转起来。然后,他们俩便盯着计算机的打卡输出查看结果。

果然,程序没运行多久他们就看到代表星球的点四处乱跑,无法保持圆盘形状。两个年轻教授费尽心思,像程序员一样调试各种可能的条件变化,竭力让星系能稳定地旋转。最后,他们终于找到了一个诀窍:在平面的星系外再加上一个有质量的圆球壳,为中间的星系提供附加的引力。有了这么一层壳,他们的模型星系就进入了稳定的旋转状态。

他们把这个凭空添加的球壳叫做“晕轮”(halo)。因为它很像在地球上常见的“日晕”、“月晕”现象:太阳或月亮的外围似乎被笼罩上一圈光亮的圆轮。

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尼泊尔喜马拉雅山区的一次日晕景象。

当然,日晕、月晕只是地球上看到的自然现象,是地球大气层中的冰晶对光线折射的结果。并不是太阳或月亮周围突然出现了新的光源。皮布尔斯和奥斯特里克在模型中引入的晕轮却必须是“实在”的,因为正是晕轮中的质量与星系质量之间的引力作用在维持星系的稳定。而且,晕轮中的质量也非同小可:它们至少需要与已知的星系的总质量相当,甚至更大。

问题是,所有天文观测中,没有任何直接证据表明星系周围存在着球形的质量分布。除非,鲁宾和福特等人发现的仙女星系旋转速度之谜可以用来作为一个证据:晕轮中存在的“额外”质量正好可以解释星系外围的旋转速度。

他们俩发表了这一模拟结果之后,再接再厉带上一位博士后对那时估算宇宙质量的方法、结果做了一番系统的普查,在1974年又发表了一篇题为《星系的大小和质量以及宇宙的质量》(The Size and Mass of Galaxies, and the Mass of the Universe)的论文。

这篇文章开篇第一句颇有点石破天惊:“现在有理由——在数量和质量上都越来越充分——相信星系的质量被低估了十倍或更多。由于宇宙的平均密度来自观测到的星系密度乘以星系的平均质量,整个宇宙的平均质量密度也因之被同样地低估了。”(There are reasons, increasing in number and quality, to believe that the masses of ordinary galaxies may have been underestimated by a factor of 10 or more. Since the mean density of the Universe is computed by multiplying the observed number density of galaxies by the typical mass per galaxy, the mean mass density of the Universe would have been underestimated by the same factor.)

也就是说,宇宙中我们不知道的质量不仅存在于晕轮中的加倍,还更多得多,多到已知质量的十倍以上。

论文发表后,天文界舆论大哗。这个奇葩的观点不仅被认为是天方夜谭,甚至被作为伪科学批驳。从古希腊到今天,一代又一代仰望星空的天文学家把视野越扩越广、越伸越远,终于在20世纪末看到了宇宙的开端和全貌。奥斯特里克和皮布尔斯却在此时当头棒喝:且慢,你们所看到的不过是宇宙的皮毛——不到十分之一的皮毛。宇宙中还存在着更多更多的物质,你们却一无所知。

这如何可能?

× × × × ×

1976年4月,奥斯特里克应邀在美国科学院年会上介绍宇宙学的最新进展。他讲解了宇宙的质量之谜,包括仙女星系的旋转。讲演之后,一个老人在走廊里把他叫住,要跟他聊一聊。

自我介绍之后,奥斯特里克才知道对方其实并没那么老。那是63岁的天文界前辈巴布科克(Horace Babcock)。年轻时,巴布科克作为加州大学伯克利分校的研究生曾经在威尔逊山用胡克望远镜观测过仙女星系的旋转速度。他那时已经发现星系内接近边缘地方的速度比中心大,说明星系外围的质量比我们看到的要多得多。巴布科克当时认为这可能是星系中尘埃对光的散射相当强,所以我们看到星系外围的光强比实际的弱很多,因而低估了那里恒星的密度。

巴布科克给奥斯特里克看了他手里拿着的又大又厚的博士论文,里面记载了仙女星系旋转的最早数据。那是他在1937年的努力,这时已经完全被历史忽略、遗忘。奥斯特里克正是那年出生的。他对此一无所知,只能一连声地为在演讲和论文中没有能引述前辈的成果道歉。

即使早在1930年代,巴布科克也不是最先接触到宇宙中可能存在的质量异常的。他在威尔逊山天文台上的同事兹威基(Fritz Zwicky)的态度更为尖锐、明朗。

兹威基出生于保加利亚,但父母都是瑞士人。1922年,他在爱因斯坦的母校、瑞士的苏黎士联邦理工学院获得物理博士之后就远渡重洋来到美国的加州理工学院,在那里度过他的整个学术生涯。与理论界的伽莫夫类似,他在天文学界中是出名的头脑极度聪明、富有怪点子却又处事乖戾、脾气暴躁的角色。因为他与同行关系紧张,他总爱说大多数天文学家都是“球形的混蛋”(spherical bastards)。他这个球形不是出于模型简化的需要,而是因为——他解释道——无论从哪个角度看,他们都是同样的混蛋。

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天文学界奇人兹威基。

威尔逊山上的哈勃自然是那群混蛋之一。因为哈勃的专制,兹威基没有使用2.5米口径胡克望远镜的资格。在哈勃和胡马森将人类的视野推向宇宙深处的同时,兹威基只能用另外口径小一半的望远镜观测距离比较近的星系。他却也从中看出了蹊跷。

那时已经有一些人相信宇宙中星系的分布不是均匀或随机的,而是存在大尺度上的结构。兹威基是其中最热忱的一个。他花了很多时间观测一个叫做“昏迷星团”(Coma Cluster)的大团伙,仔细研究其中星系的速度分布。

他的方法与30年后的鲁宾相似:先将各星系的速度随宇宙膨胀的部分剔除,再看剩余的成分。当然,他不是要寻找宇宙的旋转。在他看来,那些剩余的速度是星系在星系团中的随机“热运动”。从这些速度中他计算出星系的平均动能。同时,根据星系的质量和距离,他也可以估算它们之间引力作用的平均势能。这两者应该大致相等,否则系统不会稳定。(在热力学中,这是一个普适的“维里定理”(virial theorem)。)

他算出的数据却与这个预期完全不符:星系团中星系的平均动能远远大于平均势能。这样的话,这些星系的相对速度太大,互相之间的引力不足以约束它们。星系应该彼此飞散,无法维持星系团的结构。

兹威基大胆地提出,昏迷星团以及其它星系团之所以能够稳定地存在,是因为它们之中还存在有我们没观察到的物质。那些物质的质量提供了额外的引力势能,避免了星系的分离。因为我们看不到那部分物质所发的光,他把它们叫做“暗物质”(dark matter)。

在那个年代,大尺度的星系团是否是真实的存在尚未定论。兹威基的数据分析的可靠性也与后来的鲁宾一样未被信任。加上他本人不合群等诸多因素,他提出的暗物质概念与巴布科克发现的仙女星系旋转速度异常一样,在其后的几十年中逐渐被天文界主流遗忘。

直到1970年代,鲁宾和福特、奥斯特里克和皮布尔斯由不同途径重新发现这个宇宙中的惊天之谜。

× × × × ×

1974年,就在奥斯特里克和皮布尔斯第二篇论文发表的几个月前,苏联爱沙尼亚(1991年苏联解体后成为独立国家)天文台的三位天文学家发表了一份内容非常相似的论文。

这两篇互相不知情的论文都综述了天文界测量、估算星系质量的各种方法,指出其中可能低估质量的因素,以及那些表明宇宙质量被严重低估的“越来越充分”的证据。他们还不约而同地提出一个新的论据。

在1970年代初,天文界已经倾向于同意宇宙在几何上是平坦的(虽然那时狄克尚未系统地提出这个平坦性是大爆炸理论的一个重大缺陷,从而催生古斯的暴胀理论)。但苏联的那三位作者和美国的奥斯特里克和皮布尔斯都发现,如果具体地计算当时所知的宇宙质量密度与广义相对论的临界密度之比(Ω),会得出大约为0.2左右的数值。这与平坦宇宙所要求的Ω等于1相差甚远。

而如果假设宇宙的质量被严重低估,其未知的质量比已知的还要多十倍的话,那么Ω便会更接近于1。

他们都没有使用兹威基的暗物质一词来描述这部分未知的质量。其实,宇宙中可能存在我们不知道的物体在天文学历史上司空见惯、历史悠久。传统上,它们被称作“迷失物质”(missing matter)。

在19世纪,当人们观察到天王星的运行轨道与预期有差异时,他们并没有立刻质疑牛顿的理论,而是推测那是出于另一颗尚未被发现的行星的引力干扰。后来那颗行星——海王星——果然在理论预测的位置被发现,凸显了经典力学的辉煌。后来,水星的近日点进动也被发现异常,人们同样地把它归咎为一颗未发现的行星,并预先命名为“祝融星”(Vulcan)。不过,这一次却是牛顿的经典力学有差错,需要爱因斯坦的广义相对论才得以完满地解释。太阳系中并不存在也不需要那个迷失的祝融。

所以,在1974年,这几位天文学家所指出的只是宇宙中还有更多的迷失物质。他们的论点之所以惊人,那是因为迷失的成分实在太大。

× × × × ×

奥斯特里克和皮布尔斯的论文在论及仙女星系的旋转速度问题时只引用了射电信号测量的数据。他们不仅不知道巴布科克的早期数据,也没有引用鲁宾和福特的更近得多的结果。

即便如此,当鲁宾读到论文的第一句时便忍不住击节叫好。她听从了闵可夫斯基的忠告,在1970年就与福特一起发表了她们测量的仙女星云初步数据。不料,这个结果却未能引起预期的反响,甚至没能引起奥斯特里克和皮布尔斯的注意。但她对这两位年轻人在论文中直言不讳地道出宇宙中存在着大量未知质量的勇气大为赞赏。

鲁宾这时候也已经把视线再度转向大尺度的星系团。她和福特拍摄了大量星系的光谱照片,发现了一个奇异的现象:一些星系团在集体向某一个特定的方位漂移——似乎那里有更集中的“迷失质量”在吸引着它们。这个被称为“鲁宾-福特效应”(Rubin–Ford effect)的现象倒是在天文界引起轩然大波,争论莫衷一是。

在跟踪这些星系团的同时,鲁宾和福特也积累了大量星系内部的光谱。1970年代进入尾声时,他们相继发表了20多个星系的旋转数据。它们都呈现出与仙女星系一致的曲线:在远离星系中心的外缘,星系的旋转速度没有下降。

随着鲁宾和福特越来越多数据的发表,暗物质这个被遗弃的名称开始重新浮出水面。及至1970年代末,天文学界已经普遍接受了这一新的现实:宇宙中有未知的物质存在,它们远远多于我们所能看到的部分。

× × × × ×

伽利略在17世纪初从自制的望远镜中看到人类肉眼从未见识到的、不可思议之多的繁星,为人类打开了新的视野:宇宙比当时所想象的更为宏大、更为深远。发光的星体比当时所知的更为丰富、更为璀璨。

在20世纪,天文学家的宇宙观在毫无思想准备之下经历了一场相似的震撼。在这个明亮的宇宙之中,还存在着一个未知的、看不见摸不着的、由暗物质组成的神秘世界。在一代又一代人孜孜不倦地完善越来越强大的望远镜,寻觅、收集宇宙深处、更深处那越来越微弱的星光时,他们没有意识到宇宙的奥秘也许并不尽在那光影之中,而更可能在其黑暗的另一面。


(待续)



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