互动科普

宇宙黑手暗能量

撰文  克里斯托弗·J·康瑟利斯（Christopher J. Conselice）

翻译  蔡荣根

直到1998年，天文学家才发现，我们忽略了宇宙中将近3/4的成分——暗能量(dark energy)。这种神秘的未知能量形式充斥在我们周围，掌控着宇宙的命运，可我们对它几乎一无所知。公平起见，我们必须承认，有些研究人员早已预言过这种能量的存在，但即便是这些人也会告诉你，检测到暗能量是20世纪宇宙学中最具革命意义的发现之一。这不仅是因为暗能量占据着宇宙的主体，更重要的是，如果暗能量的理论经得起时间的考验，我们可能还需要发展出一套全新的物理理论，来描述和解释它的性质。

暗能量是什么，它的存在意味着什么？科学家才刚开始尝试回答这些问题。暗能量对宇宙整体的作用泄漏了它的行踪，而人们逐渐意识到，暗能量不仅对整个宇宙有影响，似乎也在操控宇宙的居民，指引恒星、星系和星系团（galaxy cluster）的演化进程。虽然以前并没有意识到暗能量对这些结构的影响，但天文学家们几十年来一直在研究它们的演化过程。

讽刺的是，暗能量的无处不在，反而让人们很难意识到它的存在。暗能量与物质不同，它是均匀分布的，不会在某个地方聚集成团。不论是在你家的厨房，还是在星际空间，暗能量的密度都完全一样，约为10-26千克/立方米，相当于几个氢原子的质量。我们太阳系中所有的暗能量加起来，与一颗小行星的质量差不多，在行星的“舞蹈”中，几乎起不了作用。只有在巨大的空间尺度上和时间跨度上，才能体现出暗能量的影响力。

从美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）开始，观测天文学家就知道，除了最近的星系，所有星系都以极高的速度飞奔而去，离我们越来越远。这个速度与距离成正比：离我们越远的星系，退行（recession）速度就越大。传统观点认为，宇宙的大小是固定不变的，只是星系正在远离我们，但观测结果推翻了这种观点。实际上，不断拉伸的是空间结构本身，星系只是被裹挟在其中，离我们越来越远。另一个问题随之而来：膨胀的速率如何随时间演化。几十年来，科学家一直在努力回答这个问题。他们曾经推测，宇宙膨胀会越来越慢，因为星系之间的引力应该会阻碍向外的膨胀。

膨胀速率随时间变化的第一项明确观测证据，来自遥远的超新星。就像观察河面上漂浮的木块能够测量河水流速一样，这些爆炸中的恒星也可以看作测量宇宙膨胀的标尺。这些观测明确无误地表明，过去宇宙膨胀的速率比现在慢，也就是说，宇宙的膨胀在加速。更确切地说，曾经有一段时间，宇宙膨胀的速率越来越慢，但在某一时刻发生了逆转，开始加速。这一惊人的结果已经得到了交叉验证，几项相互独立的研究，包括对威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)传回的微波背景辐射所作的研究，都支持这个结论。

还有一个可能的结论是，在超星系尺度上，引力遵循的定律与较小尺度上的引力定律不同，所以星系间的引力实际上并没有阻碍宇宙的膨胀。但更多的人相信，引力定律对这些尺度范围内的研究对象都适用，只是宇宙中存在着某种形式的未知能量，能够战胜星系之间的吸引力，让它们分离得更快。尽管在我们的星系中，暗能量无足轻重（也无需担心你的厨房），但它们合在一起，就成了宇宙中最强大的力量。

宇宙雕塑家

表面看来，星系团、星系和恒星并不会随着宇宙的膨胀而变大，似乎逃脱了暗能量的操纵。其实，它们也是暗能量的玩偶，只是暗能量的影响藏得更深，更隐蔽。

经过进一步的研究考察，天文学家们发现，暗能量不仅决定了宇宙的整体膨胀速率，对较小尺度上的物体也有长远影响。当你将视线从整个可观测宇宙移向较小尺度的结构时，最先引起你注意的，八成就是宇宙尺度上物质的分布模式——仿佛都在一张蜘蛛网上。“蛛网”的细丝长达几千万光年，细丝之间则是大小相仿的空洞，其中的物质极其稀薄。数值模拟显示，物质本身不足以解释这种分布模式，暗能量也是不容忽视的影响因素。

不过，这个发现还不算太意外。这些细丝和空洞与行星不同，它们并不是紧密结合在一起的实体，还没有建立起内部的受力平衡，无法从宇宙的整体膨胀中摆脱出来，换句话说，它们还在随着宇宙一起膨胀。实际上，这些细丝和空洞是宇宙膨胀（及影响宇宙膨胀的所有现象）与它们自身引力相互竞争的结果。在这场拔河比赛里，没有哪一方具有压倒性的优势，双方僵持不下。假如暗能量再强一些，膨胀将赢得比赛，物质就会分散开来，无法凝聚成细丝。假如暗能量再弱一些，物质将聚集得比现在更紧密 （见22页的图解）。

当你将视线移向更小尺度上的结构，开始关注星系和星系团时，就会发现那里的情况更复杂。星系（包括我们的银河系）并没有随着宇宙一起膨胀。星系的大小取决于它们自身的状况，星系引力与星系物质（恒星、气体及其他物质）的角动量达到了平衡。只有从星系际空间（即星系之间的空间）里吸积物质，或与其他星系发生并合以后，星系才会增大。宇宙膨胀对星系的影响微乎其微。因此，即使暗能量在星系形成过程中发挥过作用，这种影响也不会很明显。对星系团来说，情况也是如此。因为星系团是不随宇宙膨胀的最大天体结构，由上千个星系构成，被包裹在一大团热气体云中，彼此间通过引力聚集在一起。

不久以前，人们还以为星系和星系团形成的各个方面之间毫不相关，但现在看来，暗能量也许就是它们之间的关键联系。因为星系之间的相互作用和并合，在一定程度上驱动了这些系统的形成和演化，而相互作用和并合则受到了暗能量的强劲影响。

为了理解暗能量如何对星系形成施加影响，让我们先来看看天文学家对星系形成的看法。现在的理论基于这样一种思想：物质可被分为两类。第一类是普通物质，它们的粒子很容易与其他粒子发生相互作用，假如粒子带电的话，也会与电磁辐射发生相互作用。天文学家称这类物质为重子物质，因为它们的主要成分是质子和中子之类的重子（baryon）。第二类称为暗物质（注意，不是暗能量），占据物质总量的85%。它的最显著特点就是，不与辐射发生相互作用，因此既不会发光，也不会遮光，几乎不可能“看”到它。不过在引力方面，它的表现与普通物质无异。

根据模型，大爆炸之后，暗物质立即开始聚集，形成一个个球状的暗物质团，天文学家称它们为“晕”（halo）。相反，重子物质之间的相互作用，以及它们与辐射之间的相互作用，使它们无法成团，仍然保持着炽热的气体形态。随着宇宙膨胀，气体冷却之后，重子才能聚集成团。发生大爆炸的几亿年后，第一代恒星和星系就诞生在这种冷气体云中。它们的出生地并不是随机分布的，这些恒星和星系都形成于当时已经成形的暗物质晕的中心。

自20世纪80年代起，许多理论学家都曾用计算机仔细模拟过这一过程，其中包括德国马普天体物理研究所西蒙·D·M·怀特（Simon D.M.White）领导的研究小组和英国杜伦大学卡洛斯·S·弗兰克(Carlos S.Frenk)领导的研究小组。他们已经证明，宇宙中形成的第一代物质结构，大多数是小质量的暗物质晕。因为早期宇宙非常稠密，这些小质量晕（以及其中的星系）会相互碰撞并合，形成质量较大的系统。按照这种方式，星系构造的过程是自下而上的，就像先得到了一堆积木，再用它来搭建玩具房屋一样。（还有一小部分人认为，星系构造的过程是自上而下的，就像先得到整座玩具房屋，再拆成许多积木一样。）我和同事们观察了遥远的星系，研究了漫漫宇宙历史中星系的并合过程，试图以此检验这些模型。

星系演化的趋势

小质量星系通过并合不断壮大，恒星的主要出生地却从大质量星系逐渐转移到小星系……这些演化趋势看似恰恰相反，但在它们的背后，却有来自同一股力量的推动。

经过仔细研究，人们了解到，当一个星系与另一个并合时，它的形状就会扭曲。我们现在能够看到的星系中，最早的一批大概在宇宙10亿岁时就已经存在了，而且其中不少看来正在并合。随着时间的推移，大质量星系之间的并合越来越少。在大爆炸之后20亿年，有一半左右的大质量星系还在相互并合；到了大爆炸之后60亿年，大星系之间基本就没有并合现象了。此后，星系形状的分布（即不同形状的星系所占的比例）固定下来，预示着星系已经很少发生碰撞和并合。今天，仍有少数星系还在并合，但它们都是典型的小质量星系。

实际上，现在宇宙中98%的大星系不是椭球形，就是漩涡形。如果发生并合，星系就会扭曲变形。但我们看到的这些大星系都相当稳定，其中的恒星大多非常古老，说明这些星系早就成形了，长久以来一直维持着这样的规则形状。

大约在它60亿岁的时候，宇宙的精力就已消耗殆尽。星系并合越来越少并不是惟一的征兆，宇宙制造恒星的能力也在下降。20世纪90年代，加拿大多伦多大学西蒙·J·莉莉（Simon J. Lilly）领导的研究小组，美国空间望远镜科学研究所的皮耶罗·马登（Piero Macau）领导的小组，以及美国加州理工学院的查尔斯·C·施泰德尔（Charles C. Steidel）领导的小组，得出了令人信服的结论：现在存在的恒星大多诞生在宇宙历史的头60亿年里。最近，研究人员已经了解了这一趋势出现的具体过程。他们发现，最先停止生产恒星的正是大质量星系；自大爆炸后60亿年以来，只有质量较轻的星系，才能以较高的效率继续生产恒星。这似乎有点自相矛盾：星系形成理论预言，宇宙中先形成小星系，它们并合后才会出现大星系。但恒星形成的历史恰恰相反：刚开始，恒星大多诞生在大质量星系之中，后来主要的诞生地才转移到较小的星系中（这种转移就是所谓的恒星形成星系小型化）。

还有一点也让人们大惑不解：星系中心超大质量黑洞的成长似乎也明显减缓。这些黑洞为类星体和其他活动星系提供着动力，但在现在的宇宙中，活动星系寥寥无几；在其他大部分星系（包括银河系）中，中心黑洞非常“安静”，鲜有活动迹象。

星系因并合而不断壮大，恒星的主要诞生地从大质量星系转移到小星系，黑洞变得“沉默寡言”——这些演化趋势之间是否彼此关联？暗能量真有可能是产生这些趋势的根本原因吗？

牢牢把握控制权

恒星形成高潮结束、星系并合几率暴跌、黑洞不再活跃，这一切发生的时间，几乎与暗能量战胜引力，宇宙膨胀由减速转为加速的时间完全一致。难道这只是一个巧合？

一些天文学家推测，星系的内部过程（比如黑洞和超新星释放的能量）遏制了恒星和星系的形成，但暗能量可能是更根本的原因，它能把所有现象联系起来。最主要的证据是，大多数星系和星系团停止形成的时间，与暗能量开始把持大局的时间大体一致，大约都发生在宇宙60亿岁的时候。

人们设想，宇宙中的物质密度曾经非常高，战胜了暗能量的效应，由星系间的引力占据主导地位。星系摩肩接踵，相互作用，频频并合。在迎头相撞的星系中，气体云聚集成团，形成新的恒星；另一些气体被拉入星系的中心，成为中心黑洞的“食物”，使黑洞成长壮大。随着时间的推移和空间的膨胀，物质变得稀薄，引力变弱，但暗能量的强度却始终如一（或者几乎如此）。两者之间的天平不可抗拒地发生了倾斜，最终使宇宙的膨胀从减速变为加速。与此同时，宇宙中的众多星系随着空间的膨胀越拉越远，星系并合率也因此逐渐降低。同样的道理，星系际气体也很难再落入星系的中心，“食物”匮乏使黑洞失去了活力。

这些过程或许也能解释星系小型化。质量越大的暗物质晕（包括其中的星系），成团程度也越明显；因此大质量晕往往扎堆出现，彼此非常靠近。相比小质量系统，这些晕可能会更早地撞上它们的邻居。一旦发生碰撞，星系中就会诞生一批新的恒星。新形成的恒星开始闪耀，驱散并加热了周围的气体，阻碍气体继续坍缩形成新的恒星，因此，恒星诞生的高潮很快就会结束。星系中心的黑洞是新恒星形成的另一阻碍。星系的并合将气体拖入黑洞，使黑洞发出喷流（以极高速度向外射出的物质流），喷流加热了星系中的气体，同样阻碍了气体冷却，进而坍缩成新恒星的过程。

很明显，大质量星系中的恒星形成一旦停止，就很难再重新开启。很可能是因为这些系统中的气体已经耗尽，或者变得过热，无法很快冷却下来。这些大质量星系还会与其他星系并合，但由于缺乏冷气体，几乎无法再生产新的恒星。大质量星系逐渐变得萧条，其中鲜有新恒星诞生，而较小的星系还在继续并合，形成新的恒星。结果就像观测到的那样，大质量星系比小星系更早成形。暗能量决定了星系的成团程度和并合几率，也许它正是通过这种方式，暗中操控着恒星形成的过程。

暗能量或许还能解释星系团的演化。在宇宙60亿岁以前，远古星系团就已经具备了现在星系团的规模。换句话说，过去的60亿年到80亿年间，星系团并没有明显增大，说明落入星系团的星系数量明显减少。早在20世纪90年代中期，天文学家就发现了这一现象。他们只能猜想，宇宙中的物质密度比理论预言的更低。而暗能量的发现解决了观测事实和理论间的紧张局面，这是暗能量在大尺度上影响星系相互作用的一个直接信号。

我们自身所处的星系团——本星系群（Local Group）就是很好的一个例子，能够形象地演示暗能量是如何改变星系团形成历史的。就在几年以前，天文学家还认为，银河系及其近邻——仙女座大星系，连同它们各自的一大群小星系同伴，最终都将落入附近的室女座星系团中。但现在看来，我们的星系能够避免这样的噩运。因为暗能量驱使我们和室女座星系团之间的距离不断膨胀，膨胀速度已经超过了本星系群向皇女座星系团掉落的速度，我们永远不会变成大型星系团的一员。

通过遏制星系团的演化，暗能量还控制着星系团中的星系组成。星系团的环境促进了一些星系的形成，如透镜星系、巨椭圆星系和矮椭圆星系。通过调整星系加入星系团的能力，暗能量控制着星系团中这些星系类型的相对比例。

这是一个精彩的故事，但事实果真如此吗？星系并合，黑洞的活动和恒星的形成都随时间流逝而减弱，它们之间很有可能以某种方式彼此关联。不过，天文学家还没能够理清这些事件的来龙去脉。未来几年，我们将充分利用现有的巡天项目，包括哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台和灵敏的地面光谱成像仪，详细考察其中的关联。对遥远的星系做一次普查，确定它们最后一次并合发生的时间，将是找到关联的有效方法。这些分析工作需要一些新的理论工具，虽然尚待我们开发，但在未来几年里，我们应该就能拥有这些工具。

假如不是现在这样

不久前，人们担心宇宙膨胀会越来越慢，最终坍缩毁于一旦；现在又转而担心，暗能量太过强大，最终会撕碎所有原本受引力束缚的天体，包括我们的地球。

一个由暗能量主宰的加速膨胀宇宙，可以自然而然地产生我们观测到的、星系演化方面的种种现象，即星系并合的停止和随之而来的许多后果，包括恒星形成效率的大幅降低和星系形态不再变化。假如暗能量不存在的话，星系并合可能会持续更久，现在的宇宙中将出现更多拥有年老恒星的大质量星系。同时，宇宙中的小质量星系会更少，银河系这样的漩涡星系将变成少数派（因为漩涡结构无法在并合过程中幸存下来）。星系的大尺度结构则会变得更为紧密，结构并合和吸积过程会更为频繁。

假如暗能量比现在更强大，那么情况就会完全相反。漩涡星系和小质量的不规则矮星系将更加普遍，因为在宇宙演化过程中几乎没有经历过星系并合；星系团的质量要小得多，或者根本就不存在；甚至连恒星也很少形成，宇宙中的大部分重子物质仍是一团团弥漫的气体。

表面上看来，星系的形成似乎离我们的生活很远，但实际上，这些过程早已影响到我们自身的存在。如果没有恒星，所有比锂重的元素就无法形成，而这些元素构成了我们赖以生存的类地行星，还有我们的生命本身。假如恒星形成率较低，这些元素的丰度不高，那么宇宙中就不会拥有这么多行星，可能根本不会出现生命。由此可见，暗能量对宇宙的许多看似互不关联的不同方面，甚至对我们地球的历史，都产生过深刻的影响。

暗能量的使命远远没有结束。看上去，它对生命是有益的：不久之前，天文学家还在担心，宇宙总有一天会停止膨胀，最终在一场大坍缩中毁于一旦，而现在宇宙的加速膨胀已经打消了这种担心。但暗能量也带来了其他危险。至少，它拉开了遥远星系彼此间的距离，让它们退行得越来越快，总有一天，我们再也看不到它们。空间正变得越来越空旷，本星系群正在变成一座孤岛。最终，在星系际茫茫的宇宙空间中飘荡的星系团、星系甚至恒星，都被完全孤立在它们自身引力能够控制的范围之中，这个范围可能比自己的体积大不了多少。

更糟糕的是，暗能量可能也在演化。一些模型预言，假如暗能量变得更强势，它将撕裂由引力束缚在一起的天体，例如星系团和星系。最终，地球也可能从太阳系中剥离出来，甚至地球本身，连同地球上的一切物体，都会被撕成碎片，就连原子也难逃一劫。到了那时，一度生活在物质阴影下的暗能量，终将完成它的复仇大业。