宇宙物质汇总:星系,恒星,暗物质,重子物质,暗能量

宇宙物质汇总:星系,恒星,暗物质,重子物质,暗能量

众所周知,20世纪20年代的两项突破性发现象征着现代宇宙学的诞生,这两项发现分别来自理论和观测。首先是1922年,苏联宇宙学家亚历山大·弗里德曼根据各向同性的“宇宙学原理”,在广义相对论框架内推演出了一组描述“膨胀宇宙”的动力学方程,即大名鼎鼎的弗里德曼方程组;其次是1929年,美国天文学家埃德温·哈勃发现遥远星系的红移与距离成正比的现象。后来,这一经验规律被命名为“哈勃定律”。哈勃定律表明我们的宇宙的确处于一种均匀膨胀的状态,该状态符合弗里德曼方程组的预言。直到今天,弗里德曼方程组描述的膨胀宇宙仍然被尊为现代宇宙学的“标准模型”,后来的暴胀模型、ΛCDM模型等,都是对它的补充和修正。

在标准模型的框架内,宇宙有三种演化命运,这可由一个曲率参数k来区分。k有三种可能的取值:0,1和-1,分别对应零曲率宇宙、正曲率宇宙和负曲率宇宙。根据广义相对论,空间的曲率与物质分布相关,因此,这三种宇宙又分别对应了零能宇宙、正能宇宙和负能宇宙。其中,零曲率宇宙和负曲率宇宙属于无限无界的“开放宇宙”;正曲率宇宙属于有限无界的“闭合宇宙”。关于如何想象一个有限无界的闭合宇宙,一个经典的类比是地球表面。我们常说空间是三维的,这似乎是个常识。但实际上我们只能在前后、左右两个维度自由运动,上下方向的运动因重力关系,显得格外困难。所以,从外太空的角度看,我们很像是一种匍匐在地球表面、薄薄一层的二维生物。1517年,葡萄牙航海家麦哲伦率领自己的船队从西班牙的塞维利亚港出发,一路向西,最后从东方回到西班牙,完成了人类历史上的首次环球航行。这证明地球表面是无界的(麦哲伦船队显然没有在大海深处遇到如早期水手传言的所谓“虚无之渊”),与此同时地球的表面积是有限的。类比到一个正曲率的宇宙,假如我们能以足够快的速度朝任一方向飞行,我们总会从反方向回来,就像麦哲伦的环球航行那样。这听起来不可思议,有悖常理,但那是因为我们之中从没人见过“弯曲空间” 是什么样子。

那么,真实宇宙的曲率参数k是多少呢?对此,弗里德曼方程组不能给出答案,天文学家只好从实际的观测数据中推算。根据普朗克卫星最新的观测结果,可见宇宙的曲率参数k在仪器测量误差范围内所得的结果近似为零。这说明真实宇宙是平直的、简单的,没有出现整体性的所谓“空间弯曲”。这同时也意味着我们的宇宙很可能是开放的、无限的,不能完成如上述麦哲伦那般的“环宇航行”。

上面曾提到,宇宙空间的曲率与物质分布有关,这是广义相对论的基本思想。零曲率宇宙对应的物质密度更特殊些,被称为“临界物质密度”,它可以用两个基本的物理常数——哈勃常数和万有引力常数——非常简洁地表达出来。根据普朗克卫星的观测数据算出的今日宇宙的临界物质密度,差不多相当于每立方米分布有5枚质子。也就是说, 假如宇宙的平均物质密度少于每立方米5枚质子,曲率参数k 就是-1,宇宙将一直膨胀下去,直到所谓的“大撕裂”;假如宇宙平均物质密度高于每立方米5枚质子,曲率参数k 就是1,终有一天,宇宙会在万有引力的作用下坍缩回奇点,一切归于虚无。既然天文学家已经知道了可见宇宙是平直的,也就相当于间接知晓了今日宇宙的物质密度(近似等于临界物质密度)。这其中不仅包含了可见的恒星、星云、星系,还有不可见的行星、黑洞、白矮星、中子星、暗星云、暗物质、暗能量,甚至包含了弥漫全宇宙的3K背景辐射、星光等等。乍看起来,今日宇宙的物质密度似乎相当“稀薄”,毕竟,将5枚质子放在1立方米的空间里,直观上看,跟理想的真空也差不多。然而,真实的宇宙就是如此空旷,5枚质子看似微不足道,但考虑到广袤的宇宙空间,所得出的物质总量还是相当可观的。

星系,恒星,以及你所能看到的一切——1%

哈勃极深空场的拍摄集结了先前10年哈勃空间望远镜的影像,累计曝光时间23天。影像中最暗星系的光度只有肉眼可分辨光度下限的百亿分之一。基于类似的深空影像,天文学家可以做各种各样的统计工作。所谓的统计,通俗一点说就是数数,数影像里不同亮度的星系有多少,这样就可以画出一条星系数目随亮度的变化曲线。一般而言,越亮的星系,数目肯定越少,越暗的星系,数目肯定越多。但是,我们的望远镜不是万能的,星系暗到一定程度就难以分辨了。因此,上面提到的计数曲线在暗星系一端是不准确的,需要做一些统计修正。类似的流程对天文学家而言早已驾轻就熟,相关的数学理论也是比较完善的。

得到这樣一条星系亮度的计数曲线后,天文学家就可以利用所谓的“质—光关系”,将它转换成质量的计数曲线,进而算出影像中所有发光物质的总量,以及它们的密度。在过去几十年里,在计算机的帮助下,天文学家统计了数不清的深空影像,得出了不同天区、不同星系团的发光物质密度。统计结果表明,宇宙中所有发光物质的密度只占上述临界物质密度的1%。也就是说,哈勃空间望远镜所见的全部灿烂宇宙(比如哈勃极深空场),包括你我熟知的大千世界,仅仅是真实宇宙中微不足道的一隅。宇宙中99%的物质,都以我们并不熟知的形式存在着。

来无影去无踪的暗物质——26.8%

现在看来,暗物质的存在已是毋庸置疑了。相关的观测证据也是不胜枚举,比较重要的包括:星系平坦的转动曲线、星系团中远超其发光物质总量的动力学质量、由大量不可见物质引起的引力透镜效应、星系和第一代恒星在早期宇宙的快速形成,等等。如果没有暗物质这项假设,以上的观测现象将很难有个统一的理论解释。

另外,暗物质这个名字本身确实容易让外行人误会,以为不发光的物质都是暗物质。实际上,天文学家所说的暗物质是有明确指向的、性质未知的一类神秘物质。说它神秘,是因为当今粒子物理学所知的任何一种粒子,都不具有暗物质粒子的特性。这些特性包括:只参与引力相互作用和弱相互作用,不参与任何电磁相互作用;巨大的粒子质量;低得惊人的散射截面等等。这使得暗物质可以像影子一样穿过由普通物质组成的巨大的星系团。

起初,天文学家也曾认为暗物质是一些不具备发光条件的、流浪在宇宙深处的暗天体,比如没有吸积盘的黑洞及能量耗尽的黑矮星、褐矮星或中子星等等。但是,当今的主流观点认为,它们并非暗物质的主要组成部分。首先,无论是没有吸积盘的黑洞,还是不发光的致密矮星,当它们途经观察者的视线方向时,都会改变背景上的星光,产生所谓的“微引力透镜效应”。基于此,从20世纪70年代起,英国天文学家阿尔科克与波兰天文学家帕金斯基组成了两个独立的研究小组,采用微引力透镜的方法搜索流浪在银河系附近的致密暗天体。两个项目确实记录到了许多起星光闪烁事件,但只有极少数符合理论给出的光变曲线,余下的都是恒星的内禀闪烁,也就是变星。据此算出的致密暗天体的质量远低于银河系暗物质的总量。换句话说,流浪的矮星或黑洞等天体在暗物质中的比例微乎其微。

还有一项宇宙学观测证据也从另一个角度证明了为什么暗物质粒子不会是普通物质。我们知道,宇宙中丰度最高的两大元素是氢和氦,它们的质量比约为3∶1,也就是氢核(即游离质子)的质量占75%,氦核占25%。其他元素的丰度与之相比差两三个数量级,是可忽略的小量。这个比例在不同的宇宙区域、不同的星系团中略有差异,但总体偏离不大。这可以用所谓的“原初核合成理论”来解释。自大爆炸后,宇宙的温度随着空间膨胀逐渐冷却下来,宇宙的物质经历了一系列的退耦过程。所谓退耦,是退出耦合的意思,指的是先前几种混在一起、不分彼此的物质,在之后的某个时刻突然分道扬镳,各自演化成了性质截然不同的物质。比如在大爆炸后零点几秒的时候,宇宙的温度极高,那时的质子和中子就是耦合在一起,不分彼此的。它们统称为核子。大爆炸后约1秒,质子与中子发生了退耦,稳定的质子不再变成中子。而游离的中子是不稳定的,会发生β衰变,变成质子、电子和中微子。因此,中子的数目会以10分钟减少1/2的速度衰减下去。与此同时,宇宙的温度也在逐渐降低中,等到宇宙年龄为3分钟的时候,残余的中子与质子的数目之比为1∶7,也就是16个核子中有2枚中子。此时,质子开始与剩余的中子发生原初核合成。整个合成过程持续约1 7分钟,将剩余的中子全部封存在原子核里。根据上面的核子数之比,不难看出,此时氢核与氦核的质量比就是3∶1,与天文观测一致。除了氢与氦的丰度外,原初核合成理论还预言了一些较重的核素在宇宙空间的丰度,比如氢的同位素氘,锂的同位素锂-6、锂-7等等。假如天文学家发现的暗物质都是由质子和中子组成的普通物质,那么,原初核合成的核子原料必然要多出许多,从而允许更多更重的同位素生成。换句话说,通过测定今日宇宙空间中某些较重同位素的丰度值,我们可以反过来限定宇宙中普通物质的密度范围。据此得出的理论结果,为临界物质密度的4%至5%,与用其他方法所得的结果基本一致。

一大半都失踪不见的重子物质——3.7%

等等,原初核合成的理论计算居然预言普通物质会占到宇宙平均物质密度的4.7%?可是读者应该还记得,天文学家只在星系团的照片里数出了约1%的可见物质,余下的3.7%都在哪里?一个自然的想法是,有相当一部分重子物质是不发光的气体和尘埃,换句话说,就是以暗星云的形式存在。如此说来,天文学家应当可以在红外波段或者射电波段寻到蛛丝马迹。天文学家为此做了大量的观测工作,却发现未形成恒星的气体在星系中所占的比例并不算高,满打满算下来,星系中全部的恒星和气体质量也只有临界物质密度的2%至3%,同预期的目标差距明显。直到今天,这都是现代天文学中的一项未解之谜:重子物质失踪之谜。

關于失踪重子物质的去向,目前主流的看法是,有相当一部分重子物质没有被锁入星系中,而是游离于星系际空间,甚至是星系团之间。难道自宇宙形成138亿年以来,还有重子物质没来得及掉进星系的引力范围吗?这样的解释根本说不通,因为由暗物质主导的引力势足够强,重子物质全部落入星系或星系团的引力范围所需的时间比宇宙寿命短得多。除非有一股强大的斥力又将一部分重子物质吹了出去,否则很难解释今日宇宙的重子物质分布。有人认为将重子吹出星系的动力来源是早期的活动星系核(AGN),也有人认为是失控的星暴星系中频繁爆发的超新星事件(SN)。无论哪种机制,重子物质在被驱散的过程中都会被加热,发出强烈的X射线,或者影响到宇宙微波背景辐射的图样。但是,观测方面一直没有给出积极的证据,证明失踪的重子物质的确散布于广袤的星系际空间之中。目前,这方面的研究依然是天文界的热门话题。

更大的未知:暗能量——68.5%

细数完黑洞、恒星、气体、暗物质等零零碎碎的物质组分,我们终于进入了真正主宰宇宙未来命运的王者之域:暗能量。它占到了今日宇宙平均物质密度的68.5%。为什么要加“今日宇宙”这个限定词呢?因为在宇宙早期,暗能量还只是一项次要因素,直到几十亿年前,它在宇宙各物质组分中才变得重要起来。何以如此呢?我们知道,受能量守恒定律的制约,当宇宙空间发生膨胀的时候,无论电磁辐射还是重子物质,它们的平均密度都在不断下降。其中,电磁辐射的密度下降最快,与宇宙年龄的四次方成反比;暗物质与重子物质次之,与宇宙年龄的三次方成反比。因此,从大爆炸到宇宙年龄约70万年的时候,辐射都是起主导作用的。从宇宙年龄70万年开始,便是物质起主导作用。可是,令人感到费解的是,暗能量的平均密度并不随宇宙的膨胀发生变化,它始终是个常数!这也就是爱因斯坦场方程中“宇宙常数项Λ”的由来。可以想见,随着宇宙空间的膨胀,暗能量在宇宙总物质中的比例越来越高,直到几十亿年前,它终于超越了暗物质组分,开始对宇宙的膨胀过程起主导作用。此即20世纪末天文学家发现的所谓“宇宙加速膨胀” 现象。

从目前的观测看,暗能量的性质与爱因斯坦场方程中加入“宇宙常数项Λ”的表现是高度吻合的。将来还会有专门的空间望远镜升空,去详细验证二者的匹配程度。但是,宇宙常数项背后蕴含的物理图像至今仍不清楚。有物理学家猜测,也许将来构想中的“量子引力论”可以告诉我们支配宇宙未来命运的Λ项究竟代表了什么,但就目前而言,我们对它真的是一无所知。