暗物質(zhì)所改變的宇宙格局

苗千

暗物質(zhì)冷酷，神秘，又至關(guān)重要，它的質(zhì)量是宇宙中普通物質(zhì)的五倍多，如此說(shuō)來(lái)暗物質(zhì)才是宇宙中更為普通的物質(zhì)，而宇宙中的星系更是需要暗物質(zhì)的引力作用才能夠結(jié)合在一起。但是暗物質(zhì)究竟怎樣運(yùn)動(dòng)，如何發(fā)生相互作用，對(duì)整個(gè)宇宙的演化有著怎樣的影響？最近天文學(xué)家們的一些觀測(cè)結(jié)果可能會(huì)改變?nèi)祟惖挠钪婺Ｐ?，并且更新人類?duì)于暗物質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

人類最初就是利用宇宙觀測(cè)中的引力作用發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的存在?，F(xiàn)在天文學(xué)家們依然要通過(guò)引力效應(yīng)，利用“引力透鏡”效應(yīng)，也就是暗物質(zhì)的引力對(duì)于經(jīng)過(guò)光線的扭曲作用來(lái)間接探知暗物質(zhì)在宇宙中，尤其是各個(gè)星系內(nèi)部的分布狀態(tài)。此前天文學(xué)家們普遍認(rèn)為，暗物質(zhì)與普通的可見(jiàn)物質(zhì)因?yàn)橄嗷ブg存在引力作用，所以在宇宙中的分布狀況應(yīng)該大致相同。但是另一方面，也始終有人提出一個(gè)重要的問(wèn)題：暗物質(zhì)之間是否也會(huì)和普通物質(zhì)一樣發(fā)生除引力作用之外的相互作用？

2015年4月，英國(guó)杜倫大學(xué)的天文學(xué)家理查德·梅西（Richard Massey）與合作者們?cè)凇痘始姨煳膶W(xué)會(huì)月報(bào)》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）雜志發(fā)表論文《與Abell 3827星系團(tuán)10千秒差距核心內(nèi)4明亮星系相關(guān)的暗物質(zhì)行為》（The behaviour of dark matter associated with 4 bright cluster galaxies in the 10kpc core of Abell 3827），匯報(bào)了他們利用位于智利的屬于歐洲南方天文臺(tái)的超大望遠(yuǎn)鏡（Very Large Telescope）和位于地球軌道上的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)于星系團(tuán)Abell 3827進(jìn)行觀測(cè)的結(jié)果。

梅西與合作者們觀測(cè)了在星系團(tuán)中四個(gè)亮度相似的橢圓形星系相撞的過(guò)程。在這四個(gè)星系中，他們利用引力透鏡進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)起碼有一個(gè)星系中的暗物質(zhì)與普通物質(zhì)發(fā)生了分離，兩種不同物質(zhì)之間的距離達(dá)到了5000光年以上。這還是人類第一次觀測(cè)到一個(gè)星系中的暗物質(zhì)與普通物質(zhì)分離開(kāi)如此遠(yuǎn)的距離，這個(gè)現(xiàn)象可能說(shuō)明，在暗物質(zhì)之間，存在著一種既不是引力作用，也不同于普通物質(zhì)之間相互作用的獨(dú)特相互作用，或許可以先把它命名為“暗作用”（dark force）?？赡苷且?yàn)樾窍抵械陌滴镔|(zhì)與經(jīng)過(guò)的一個(gè)星系中的暗物質(zhì)發(fā)生了相互作用而減速，進(jìn)而與普通物質(zhì)發(fā)生了分離。

梅西評(píng)價(jià)說(shuō)：“我們以前認(rèn)為暗物質(zhì)只是停在那里做自己的事情，只會(huì)受到引力作用。但是如果暗物質(zhì)在碰撞過(guò)程中速度減慢，這可能是發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)也存在著豐富的物理學(xué)的第一個(gè)證據(jù)——在我們周圍還有一個(gè)隱藏的宇宙?！?/p>

可能還有一個(gè)“隱藏的宇宙”？這個(gè)想法根據(jù)人類目前掌握到的證據(jù)可能還距離太遠(yuǎn)。如果以普通物質(zhì)類比暗物質(zhì)，物理學(xué)已經(jīng)有了標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)描述各種基本粒子，基本粒子之間除了引力之外的相互作用都由玻色子進(jìn)行傳遞（理論上傳遞引力作用的引力子尚未被發(fā)現(xiàn)）。而目前物理學(xué)家們傾向于認(rèn)為構(gòu)成暗物質(zhì)的只有一種性質(zhì)并不活躍的大質(zhì)量弱相互作用粒子，是否在暗物質(zhì)之中，也存在著一種“暗玻色子”，以傳遞暗物質(zhì)粒子之間的（卻又與普通物質(zhì)世界毫無(wú)關(guān)聯(lián)的）相互作用？

以普通物質(zhì)世界來(lái)類比暗物質(zhì)世界尚缺乏根據(jù)，哈佛大學(xué)的物理學(xué)家，暢銷書《恐龍與暗物質(zhì)》的作者麗莎·藍(lán)道爾（Lisa Randall），針對(duì)暗物質(zhì)之間可能存在的相互作用，提出了另外一種模型。她認(rèn)為暗物質(zhì)粒子之間的相互作用可能會(huì)強(qiáng)于暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)之間的相互作用——在天文學(xué)觀測(cè)中一些矮星系的結(jié)構(gòu)與理論預(yù)測(cè)總是存在著偏差，可能就是由暗物質(zhì)粒子之間的相互作用造成的，暗物質(zhì)粒子之間或許存在著某種斥力使它們傾向于平均分布;她也提出了“部分相互作用”的可能，暗物質(zhì)粒子只與其他暗物質(zhì)粒子的一部分發(fā)生相互作用，還有另一種可能就是只有一部分暗物質(zhì)粒子會(huì)與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用。

暗物質(zhì)粒子之間究竟存在著怎樣的相互作用，這個(gè)問(wèn)題影響了宇宙發(fā)展的進(jìn)程以及人類對(duì)于宇宙發(fā)展方式的理解。隨著人類對(duì)暗物質(zhì)理解的不斷深入，有可能需要不斷修改宇宙發(fā)展的模型。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)暗能量在推動(dòng)宇宙加速膨脹而獲得2011年諾貝爾物理獎(jiǎng)的約翰·霍普金斯大學(xué)的物理學(xué)家亞當(dāng)·里斯（Adam Riess）通過(guò)兩種不同的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”來(lái)更加精確地測(cè)量宇宙中的距離，利用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)于宇宙中的18個(gè)星系進(jìn)行了數(shù)百個(gè)小時(shí)的觀測(cè)，以前所未有的精度對(duì)宇宙膨脹的速度（哈勃常數(shù)）進(jìn)行測(cè)量。此前天文學(xué)家們觀測(cè)到的宇宙膨脹速度與宇宙模型中的理論值總是存在著差異，但是因?yàn)閷?shí)際測(cè)量結(jié)果存在著比較大的不確定性（測(cè)量天體之間的距離誤差通差都比較大），因此理論與實(shí)際之間的差異此前并沒(méi)有引起物理學(xué)家們太多的關(guān)注。里斯的測(cè)量把哈勃常數(shù)的精度提高到了前所未有的階段，其不確定性從3.3%降到了2.4%。里斯在2016年4月5日提交的論文《對(duì)于局部哈勃常數(shù)2.4%的判定》（A 2.4% Determination of the Local Value of the Hubble Constant）中報(bào)告了這一進(jìn)展。在這種情況下理論與實(shí)際之間存在的差異已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)被忽略，天文學(xué)家們開(kāi)始意識(shí)到，人類建立的宇宙模型有可能需要修改。

人類建立起宇宙的數(shù)學(xué)模型，其數(shù)據(jù)主要來(lái)自歐洲空間局（ESA）的普朗克衛(wèi)星在幾年前對(duì)于宇宙微波背景輻射的測(cè)量結(jié)果。人類以此描繪了早期宇宙，并且演算出了宇宙演化至今的形象（盡管人類對(duì)于哈勃常數(shù)和宇宙微波背景輻射的測(cè)量都可能存在誤差）。如果這兩組數(shù)據(jù)都值得信任，那么很顯然，人類對(duì)于整個(gè)宇宙的演化機(jī)制還存在著誤解。有可能被認(rèn)為是一直推動(dòng)宇宙加速膨脹的暗能量的強(qiáng)度并非恒定，而是隨著時(shí)間逐漸增強(qiáng)，另一種可能則是暗物質(zhì)并非像人們想象中那樣懶于移動(dòng)，它們之間也存在著復(fù)雜的相互作用同樣影響著宇宙的演化。

（本文寫作參考了《自然》雜志）