□ 國(guó)家天文臺(tái) 李 然

丟失的星系

□ 國(guó)家天文臺(tái) 李 然

在 1933年之前，科學(xué)家們也許已經(jīng)意識(shí)到深空中璀璨的群星并不是宇宙的全部，但他們顯然并沒(méi)有料到發(fā)光物質(zhì)的質(zhì)量在宇宙中是那么微不足道。

這一年，加州理工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家茨威基（Zwicky)研究了后發(fā)（Coma）星系團(tuán)中星系的速度，并由此發(fā)現(xiàn)了令人驚奇的事情。觀測(cè)顯示，如果認(rèn)為星系團(tuán)的質(zhì)量就是所有恒星質(zhì)量之和，那么后發(fā)星系團(tuán)中星系的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了星系團(tuán)的逃逸速度。也就是說(shuō)，理論上這些星系早就應(yīng)該掙脫了星系團(tuán)的引力束縛，飛散開(kāi)來(lái)。茨維基向來(lái)以深刻的洞察力和大膽提出新觀點(diǎn)著名。他立刻猜想這些星系團(tuán)中顯然應(yīng)該充滿了看不見(jiàn)的物質(zhì)。并且，為了能夠解釋觀測(cè)到的星系的速度，這些暗物質(zhì)的質(zhì)量至少超過(guò)可見(jiàn)物質(zhì)一個(gè)量級(jí)。

進(jìn)一步，茨維基還推論，一旦擁有如此大的質(zhì)量，星系團(tuán)的引力場(chǎng)將彎曲遠(yuǎn)處星系發(fā)出的光，產(chǎn)生強(qiáng)烈的引力透鏡效應(yīng)。遠(yuǎn)處同一星系發(fā)出的光，可能會(huì)因此從不同的路徑到達(dá)地球上的觀測(cè)者。從觀測(cè)者看來(lái)，同一個(gè)星系，在星系團(tuán)的透鏡效應(yīng)下，可以產(chǎn)生多個(gè)像。

也許是因?yàn)樗^(guò)經(jīng)常提出驚人的想法，茨維基的觀點(diǎn)并未很快被人接受。但在隨后的40年里，更多的觀測(cè)證實(shí)了他的想法。如果沒(méi)有暗物質(zhì)，人們就不能解釋為什么銀河系可以束縛住圍繞它旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星星系，也無(wú)法解釋在距離銀河系中心很遠(yuǎn)處的氣體云為什么能保持很高的軌道速度。而通過(guò)引力透鏡效應(yīng)的觀測(cè)可以直接探查宇宙中暗物質(zhì)的分布，這更是直接告訴人們——暗物質(zhì)在宇宙中無(wú)處不在。

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弗里茨·茨威基（Fritz Zwicky)，1898～1974，是美國(guó)上世紀(jì)最著名的天文學(xué)家之一。他一生做出了數(shù)項(xiàng)留名史冊(cè)的工作，其中最重要的成就是超新星本質(zhì)的解釋和暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。他在引力透鏡和星系巡天等方面也做出了諸多開(kāi)創(chuàng)性成果。

圖1 哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的星系團(tuán)（編號(hào)Abell1689）。璀璨的星系只占星系團(tuán)質(zhì)量的一小部分。圖片中可以看見(jiàn)由于引力透鏡效應(yīng)產(chǎn)生的長(zhǎng)弧狀結(jié)構(gòu)。

在今天的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型里，暗物質(zhì)是宇宙中最主要的物質(zhì)組分，占據(jù)了宇宙物質(zhì)質(zhì)量的80%以上（不包含暗能量）。這些暗物質(zhì)并不是像沒(méi)有被恒星照亮的氣體或者塵埃那樣的由質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成的普通物質(zhì)。宇宙微波背景輻射和宇宙元素核合成理論表明，這些暗物質(zhì)一定是標(biāo)準(zhǔn)粒子模型之外的物質(zhì)。這樣的暗物質(zhì)不能進(jìn)行電磁相互作用，因此也就不能發(fā)出電磁波。

同時(shí)，今天的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型還要求暗物質(zhì)是“冷”的。這說(shuō)的是暗物質(zhì)粒子在宇宙早期的速度非常低。在這種情況下，宇宙第一批形成的暗物質(zhì)團(tuán)塊——暗暈，質(zhì)量都很小。這些小暗暈通過(guò)相互合并進(jìn)一步長(zhǎng)大。冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)從八十年代開(kāi)始獲得了巨大的成功：從微波背景輻射到星系的旋轉(zhuǎn)曲線，再到大尺度纖維結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬預(yù)言。在幾乎所有的宇宙學(xué)觀測(cè)領(lǐng)域，冷暗物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型都給出了恰當(dāng)?shù)睦碚擃A(yù)言。宇宙學(xué)家們高興地宣布，基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的豐富和模型的成功，宇宙學(xué)進(jìn)入了精確學(xué)科時(shí)代?？墒呛镁安婚L(zhǎng)，沒(méi)過(guò)幾年，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)似乎預(yù)言了太多的小結(jié)構(gòu)，而觀測(cè)中卻看不到相應(yīng)數(shù)目的星系。這也就是所謂的“衛(wèi)星星系丟失問(wèn)題”。

為了理解這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在讓我們來(lái)仔細(xì)思考一下宇宙中的結(jié)構(gòu)形成。正如我們前面提到的，在冷暗物質(zhì)的宇宙中，第一批形成的暗物質(zhì)暈都是小質(zhì)量的。在宇宙歷史上，暗暈的合并非常頻繁。當(dāng)一個(gè)小暗暈被一個(gè)大暗暈捕獲后，它會(huì)一邊繞轉(zhuǎn)，一邊沉入大暗暈中心。在這個(gè)過(guò)程中，小暗暈會(huì)持續(xù)地丟失質(zhì)量，直到完全被瓦解。但是小暗暈的核心區(qū)域比較密集，抵抗潮汐瓦解的能力較強(qiáng)，因此一部分小暗暈的核心部分能夠存活很長(zhǎng)時(shí)間。再加上小暗暈會(huì)持續(xù)地落入大暗暈中，因此今天的暗暈中應(yīng)該大量存在小的暗物質(zhì)團(tuán)塊——子暗暈。

記住這一點(diǎn)，讓我們?cè)賮?lái)看一下星系的形成。在宇宙早期，重子物質(zhì)一直在和光子不停碰撞，沒(méi)有辦法聚集成團(tuán)。等到宇宙冷卻，光子退耦以后，重子物質(zhì)終于可以聚集塌縮了。這時(shí)候暗物質(zhì)早已經(jīng)聚集形成了引力勢(shì)阱，重子物質(zhì)別無(wú)選擇，只能在暗物質(zhì)的勢(shì)阱中塌縮。和暗物質(zhì)不同，重子物質(zhì)可以通過(guò)輻射的方式降低自己的內(nèi)能，從而變得越來(lái)越聚集。當(dāng)密度超過(guò)臨界，核反應(yīng)被點(diǎn)燃，大量的恒星隨之形成，星系也從此誕生。在隨后的演化中，星系伴隨著暗暈成長(zhǎng)而成長(zhǎng)。當(dāng)兩個(gè)大小差不多的暗暈合并時(shí)，寄宿于暗暈中的星系也會(huì)在很短的時(shí)間里迅速合并。當(dāng)兩個(gè)差異很大的暗暈合并時(shí)，小的暗暈成為大暗暈的子暗暈，而小暗暈中的星系就成為了隨子暗暈一同在主暗暈中繞轉(zhuǎn)的衛(wèi)星星系。一般認(rèn)為，只要子暗暈大于一定的質(zhì)量，其中就會(huì)存在著衛(wèi)星星系。在計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬中，天體物理學(xué)家可以細(xì)致地追蹤暗物質(zhì)暈的形成和星系的演化。數(shù)值模擬顯示，今天的暗暈中確實(shí)存在大量的子暗暈。

根據(jù)銀河系的動(dòng)力學(xué)觀測(cè)，天文學(xué)家們推算，銀河系所在的暗暈大約是10000億太陽(yáng)質(zhì)量。1993年，考夫曼等人詳細(xì)研究了星系的形成歷史，發(fā)現(xiàn)這樣的暗暈（其中包含銀河系這樣大的星系）中，應(yīng)該至少存在100個(gè)質(zhì)量大于100萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的衛(wèi)星星系?？蓪?shí)際上，我們卻只在銀河系中觀測(cè)到了十多個(gè)這樣的衛(wèi)星星系。

在隨后的一系列研究中，科學(xué)家們都得到了類似的結(jié)論。1999年，美國(guó)新墨西哥大學(xué)的克利平(Klypin)更是直接在文章標(biāo)題中詰問(wèn)“丟失的星系到哪去了”？這樣的詰問(wèn)中隱含著潛臺(tái)詞。這些科學(xué)家們相信冷暗物質(zhì)模型并沒(méi)有錯(cuò)誤，只是某些我們不知道的機(jī)制使得在小暗暈中并沒(méi)有形成那么多的星系。即使形成了，它們的亮度也比我們估計(jì)的低得多。

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重子物質(zhì)：

是指從質(zhì)量上來(lái)看主要由重子組成的物質(zhì)，比如所有由原子組成的物質(zhì)。

非重子物質(zhì)：

是指從質(zhì)量上來(lái)看主要不是由重子組成的物質(zhì)，比如中微子、自由電子和光子等。

光子退耦：

在宇宙早期的高溫高密度環(huán)境下，自由電子、光子相互碰撞非常頻繁，物質(zhì)和光子維持熱平衡狀態(tài)。隨著宇宙膨脹冷卻，電子和質(zhì)子結(jié)合形成原子，自由電子迅速減少。此后，光子與電子碰撞幾率變得很小。這個(gè)過(guò)程稱作光子和物質(zhì)的退耦合，簡(jiǎn)稱光子退耦。光子退耦后，物質(zhì)不再維持熱平衡狀態(tài)，開(kāi)始聚集塌縮。

天文學(xué)家們希望將問(wèn)題歸因于星系形成模型，這并不是一個(gè)非理性的判斷。因?yàn)樾窍敌纬傻倪^(guò)程太復(fù)雜，不能像暗物質(zhì)的演化一樣在數(shù)值模擬中通過(guò)解引力方程高精度地追蹤。在星系形成中包含恒星形成、氣體冷卻、超新星和黑洞能量反饋等機(jī)制，其中相當(dāng)一部分物理人們至今仍未理解透徹。這些氣體物理過(guò)程對(duì)于子暗暈結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星星系形成的影響也并未完全被搞清楚。例如，宇宙紫外背景光子的存在可能會(huì)使得小暗暈中的恒星形成被抑制。而另一方面，超新星爆發(fā)則可能會(huì)把相當(dāng)質(zhì)量的氣體推出暗暈的核心區(qū)域，從而使得暗暈的物質(zhì)分布發(fā)生改變，變得更容易被潮汐作用打散。這種種的物理機(jī)制都可能是造成“星系丟失”的真正原因。

圖2 暗暈示意圖。在大暗暈中存在很多星系，這就是我們?cè)谟^測(cè)中看到的星系團(tuán)或星系群。這些星系中最大的那個(gè)往往在暗暈的中心，被稱作中心星系，而其他的被稱作衛(wèi)星星系。衛(wèi)星星系一般存在于子暗暈中。

而另一方面，標(biāo)準(zhǔn)冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型有錯(cuò)的可能也同樣吸引著很多人的注意力。冷暗物質(zhì)宇宙中之所以形成的第一批暗暈都是小暗暈，是因?yàn)槔浒滴镔|(zhì)在宇宙早期動(dòng)能太低無(wú)法和引力抗衡。即使很小尺度的密度擾動(dòng)，也會(huì)塌縮形成暗暈。而有一些暗物質(zhì)粒子的候選者比如惰性中微子（sterile neutrinos），可能具有不那么“冷”的特性。這樣的暗物質(zhì)粒子在宇宙早期具有一定的動(dòng)能，抑制了小質(zhì)量暗暈的形成，但又不至于破壞星系形成的大圖像。這樣的暗物質(zhì)被稱作“溫暗物質(zhì)”。溫暗物質(zhì)宇宙中的結(jié)構(gòu)形成，在大尺度上和冷暗物質(zhì)宇宙并無(wú)明顯差異，但在小尺度上卻能自然地解釋很多觀測(cè)現(xiàn)象。例如，溫暗物質(zhì)宇宙中形成的小質(zhì)量子結(jié)構(gòu)數(shù)目會(huì)顯著少于冷暗物質(zhì)宇宙。這也可能是“丟失星系問(wèn)題”的真正答案。

圖3 冷暗物質(zhì)宇宙(左)和溫暗物質(zhì)宇宙(右)數(shù)值模擬中形成的暗暈?？梢钥吹綔匕滴镔|(zhì)數(shù)值模擬中子暗暈的數(shù)目顯著減少(Lovell et al. 2012)。

圖4 夏威夷凱克10米望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的引力透鏡系統(tǒng) JVAS B1938+666。中心的亮斑是一個(gè)橢圓星系，距地球98億光年。背景星系的圖像被這個(gè)橢圓星系所扭曲，形成了愛(ài)因斯坦環(huán)。而子暗暈的存在，使得愛(ài)因斯坦環(huán)顯得不那么均勻。

那么究竟哪個(gè)解釋是對(duì)的呢？最直接的判斷方法當(dāng)然是把暗暈都找出來(lái)，稱一稱重量，數(shù)一數(shù)個(gè)數(shù)。但我們都知道，暗物質(zhì)無(wú)法通過(guò)通常的方法觀測(cè)。當(dāng)前觀測(cè)暗物質(zhì)分布的最實(shí)用方法只有引力透鏡。暗物質(zhì)雖然不發(fā)出電磁波，但是它卻可以通過(guò)引力效應(yīng)被感知。暗暈的引力場(chǎng)會(huì)改變它背后星系發(fā)出的光線的行進(jìn)路線。如果在觀測(cè)者和遙遠(yuǎn)星系之間存在著暗暈，則觀測(cè)到的遙遠(yuǎn)星系圖像會(huì)被暗暈引力場(chǎng)扭曲。這就是引力透鏡效應(yīng)。當(dāng)暗暈和遙遠(yuǎn)天體在天球上的角距離越近，這種引力透鏡效應(yīng)也越強(qiáng)。有時(shí)候，觀測(cè)者會(huì)看見(jiàn)同一個(gè)星系的好幾個(gè)像。有的時(shí)候，星系的像被拉得很長(zhǎng)，變成一條長(zhǎng)弧。當(dāng)星系、觀測(cè)者和暗暈成一條直線的時(shí)候，遠(yuǎn)處的星系會(huì)被引力透鏡效應(yīng)扭曲成一個(gè)環(huán)，這就是所謂的愛(ài)因斯坦環(huán)。天文學(xué)家通過(guò)研究這些扭曲的星像，可以反向推知暗暈的物質(zhì)分布。但是利用這樣的方法依然難以看到子暗暈的存在，這是因?yàn)樽影禃瀸?shí)在太小了。所有子暗暈的質(zhì)量加起來(lái)也不過(guò)占了主暗暈質(zhì)量的5%左右。只有在某些特殊的情況下，例如，當(dāng)子暗暈靠近愛(ài)因斯坦環(huán)或者長(zhǎng)弧的時(shí)候，它的引力效應(yīng)會(huì)在已經(jīng)扭曲的星像上添加一個(gè)更小的扭曲（如圖4）。這就為天文學(xué)家打開(kāi)了一扇探測(cè)這些小結(jié)構(gòu)存在的窗戶。2012年維蓋提（Vegetti）等人在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表文章，宣布在一個(gè)具有愛(ài)因斯坦環(huán)的引力透鏡系統(tǒng)（JVAS B1938+666)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量極小的子暗暈。這個(gè)暗暈的質(zhì)量被估計(jì)為108倍的太陽(yáng)質(zhì)量左右。這樣小的暗暈的存在，已經(jīng)對(duì)暗物質(zhì)的溫度上限有了約束。如果人們能夠發(fā)現(xiàn)更多的子暗暈，將最終有望徹底解決這一問(wèn)題。