方陵生/編譯

宇宙的黑暗面

方陵生/編譯

● 通過(guò)各種互補(bǔ)的宇宙學(xué)研究方法，暗物質(zhì)和暗能量的存在終于被接受。

隨著希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，有人可能會(huì)認(rèn)為，我們終于對(duì)周?chē)奈镔|(zhì)世界有了一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)，而且解開(kāi)了粒子物理學(xué)的所有奧秘。恰恰相反，事實(shí)遠(yuǎn)非如此。目前被稱為“標(biāo)準(zhǔn)模型”的宇宙理論模型，僅僅只解釋了宇宙總含量的5%。一些人可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)暗物質(zhì)，即占了宇宙總物質(zhì)量27%的不可見(jiàn)的神秘物質(zhì)。而可見(jiàn)物質(zhì)（包括你和我，以及地球、恒星和星系上我們能看到的所有東西）僅占宇宙物質(zhì)總量的5%。但我們?cè)趺粗肋@些看不見(jiàn)的暗物質(zhì)是否真的存在呢？

圖1暗物質(zhì)（圖中亮點(diǎn)）在宇宙中的分布規(guī)律模擬圖

圖2為防止旋轉(zhuǎn)的螺旋星系中的恒星向外散開(kāi)，需要一個(gè)力來(lái)將它們束縛住，就像一個(gè)騎在旋轉(zhuǎn)木馬上旋轉(zhuǎn)的孩子一樣，必須要緊緊抓住把手，以免被甩出去。因此，必須要有足夠的物質(zhì)來(lái)生成這個(gè)引力，但星系中的可見(jiàn)物質(zhì)的量并不足以保持這種凝聚力，這表明一定有暗物質(zhì)的存在

在繼續(xù)討論暗物質(zhì)之前，我必須先就暗能量的問(wèn)題說(shuō)幾句，因?yàn)樗剂擞钪嫖镔|(zhì)總質(zhì)量的68%。但這部分只能簡(jiǎn)述一下，因?yàn)槲覀儗?duì)暗能量所知太少。1998年，兩個(gè)獨(dú)立的研究小組測(cè)量了星系互相遠(yuǎn)離的速度。其中一個(gè)小組由索爾·珀?duì)栺R特（Saul Perlmutter）領(lǐng)導(dǎo)，另一個(gè)小組由亞當(dāng)·里斯（Adam Riess）和布萊恩·施密特（Brian Schmidt）領(lǐng)導(dǎo)。兩個(gè)小組都發(fā)現(xiàn)，宇宙不僅在向外膨脹，而且這種膨脹還在加速。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)讓這幾位科學(xué)家獲得了2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。眾所周知，無(wú)論是自行車(chē)還是汽車(chē)，加速都需要能量。那么導(dǎo)致宇宙加速膨脹的巨大能量來(lái)自哪里？沒(méi)有人知道。此外，人們對(duì)于這種能量的本質(zhì)也一無(wú)所知。它就是與暗物質(zhì)相提并論的暗能量。以下我們可以看到科學(xué)家是如何通過(guò)普朗克衛(wèi)星（歐洲航天局啟動(dòng)的衛(wèi)星裝載實(shí)驗(yàn)）斷定暗能量占據(jù)了宇宙容量的68%。

暗物質(zhì)無(wú)所不在

瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲維基（Fritz Zwicky）于1933年最早發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的存在，當(dāng)時(shí)他想用兩種不同的方法來(lái)測(cè)量某個(gè)星系團(tuán)（超過(guò)100個(gè)被萬(wàn)有引力綁在一起的星系）的質(zhì)量。首先他根據(jù)星系團(tuán)中星系的旋轉(zhuǎn)速度估測(cè)其質(zhì)量。就像孩子在玩旋轉(zhuǎn)木馬時(shí)必須緊抓把手以免被甩出去一樣，星系團(tuán)中旋轉(zhuǎn)的星系也需要一個(gè)力來(lái)將它們持續(xù)束縛在一起。在此情況下，這個(gè)力是由星系團(tuán)中所包含物質(zhì)的引力提供的。為了保持這種束縛力，必須有足夠的物質(zhì)產(chǎn)生必要的引力，否則星系團(tuán)中的星系就會(huì)四散分開(kāi)。

圖3根據(jù)開(kāi)普勒定律，離星系中心越遠(yuǎn)的恒星，其旋轉(zhuǎn)速度越慢，如圖中曲線A所示。但實(shí)際上螺旋星系中的恒星運(yùn)動(dòng)遵循著曲線B，它們的速度不受與銀河系中心距離遠(yuǎn)近的影響，這表明星系中存在著某種巨量的不可見(jiàn)物質(zhì)

然后茲維基用第二種方法來(lái)驗(yàn)證他的計(jì)算結(jié)果。這一次他是根據(jù)星系團(tuán)中星系發(fā)出的光來(lái)估計(jì)它的總質(zhì)量。星系團(tuán)發(fā)出的光的數(shù)量取決于星系團(tuán)中包含物質(zhì)的量。因此，這種方法可粗略估計(jì)星系團(tuán)中所包含物質(zhì)的質(zhì)量。他注意到，兩次結(jié)果根本不平衡。目前的可見(jiàn)物質(zhì)的質(zhì)量不足以產(chǎn)生維持星系團(tuán)凝聚所需要的引力。他從這個(gè)觀察結(jié)果推斷，星系團(tuán)中存在著一種新的、未知類型的物質(zhì)，這種物質(zhì)可以在不發(fā)射任何光線的情況下產(chǎn)生一個(gè)引力場(chǎng)，由此得名“暗物質(zhì)”。

旋轉(zhuǎn)的星系

可惜的是，茲維基的計(jì)算并不精確。直到20世紀(jì)70年代，美國(guó)天文學(xué)家維拉·魯賓（Vera Rubin）才精確測(cè)量出了螺旋星系內(nèi)恒星的旋轉(zhuǎn)速度，從而說(shuō)服了科學(xué)界。螺旋星系一直在高速旋轉(zhuǎn)。魯賓觀察到，這些星系中的恒星基本上都以相同的速度移動(dòng)，無(wú)論它們離星系中心是遠(yuǎn)還是近。

但這與開(kāi)普勒定律相矛盾。根據(jù)這一定律，恒星圍繞星系中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，離星系中心越遠(yuǎn)的恒星移動(dòng)速度越慢，如圖3中曲線A所示。恒星旋轉(zhuǎn)的速度取決于其與星系中心的距離。但魯賓發(fā)現(xiàn)，螺旋星系中的恒星實(shí)際上遵從曲線B。似乎最遙遠(yuǎn)的恒星所圍繞運(yùn)行的是比實(shí)際觀察到的要大10倍的星系。這種情況只有在星系中充滿了巨量的不可見(jiàn)物質(zhì)時(shí)才可能出現(xiàn)，并且這種物質(zhì)一直延伸到最遙遠(yuǎn)的可見(jiàn)天體之外。因此，魯賓是以更精確的量化方式證明暗物質(zhì)存在的第一人。從那時(shí)起，相關(guān)證據(jù)就不斷累積。

因此，宇宙包含著難以估量的未知類型物質(zhì)。它的存在能夠被相較估算螺旋星云內(nèi)恒星的旋轉(zhuǎn)速度稍微具體化一點(diǎn)的方法探測(cè)到嗎？可以的，引力透鏡就是探測(cè)暗物質(zhì)的最引人注目的技術(shù)之一。引力透鏡的原理如下，大量的物質(zhì)（可見(jiàn)物質(zhì)或暗物質(zhì)）會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的引力場(chǎng)。反過(guò)來(lái)，這些引力場(chǎng)的存在會(huì)導(dǎo)致周?chē)臻g變形，改變光線運(yùn)行的軌跡。

想象一下，兩個(gè)人舉著一條拉緊的床單，另一人將乒乓球拋到床單上。球會(huì)在床單表面沿直線運(yùn)動(dòng)。但假設(shè)有人向床單中央拋下一個(gè)重物（比如一個(gè)臺(tái)球），乒乓球就會(huì)在變形的床單表面沿著曲面運(yùn)動(dòng)。

光就像那個(gè)乒乓球一樣，它必須沿著傳播途中的空間曲率前行。不包含物質(zhì)的空間類似于一條拉緊的床單。在那里，光沿直線移動(dòng)。但一些巨大的天體（如恒星、星系和大量的暗物質(zhì)）都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的引力場(chǎng)，導(dǎo)致周?chē)目臻g變形。光就會(huì)遵循這個(gè)變形空間的曲率而傳播。這種現(xiàn)象在光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)就會(huì)出現(xiàn)，光發(fā)生了輕微的偏移。一個(gè)人在觀察太陽(yáng)背后的恒星所發(fā)出的光的時(shí)候，會(huì)有這樣的印象：這道光發(fā)源于另一個(gè)稍微飄忽不定的位置。

大量聚集在一起的暗物質(zhì)就像鏡頭一樣。在圖4中，配備有望遠(yuǎn)鏡的兩個(gè)人正在觀察位于一團(tuán)暗物質(zhì)后方的星系。那“一團(tuán)”就是“鏡頭”。來(lái)自星系的部分光線在通過(guò)暗物質(zhì)附近時(shí)會(huì)彎曲。對(duì)于拿著望遠(yuǎn)鏡觀察該星系的人來(lái)說(shuō)，它似乎是不斷變換位置的，就好像它根本就是在另外的地方（在圖中真實(shí)位置的上部和底部），這是由于我們的眼睛接收到不同方向的入射光線。觀察者因此看到的不是單一的畫(huà)面，而是好幾個(gè)畫(huà)面。圖4左邊描繪的是二維空間中的影像，右邊描繪的是一個(gè)平面垂直于另一個(gè)平面的影像。在這個(gè)三維空間中，光線并不僅僅是向上和向下扭曲，而是向所有方向扭曲。

圖4引力透鏡的原理可在二維布局上描述為（a），從星系中發(fā)出的光在經(jīng)過(guò)附近一團(tuán)暗物質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生位移，對(duì)于在暗物質(zhì)另一邊的觀察者來(lái)說(shuō)，光線似乎來(lái)自于在真正位置上方和下方變動(dòng)著的位置。在三維空間中（b），一團(tuán)暗物質(zhì)所轉(zhuǎn)移的光線在所觀察星系的真正位置周?chē)纬梢粋€(gè)光環(huán)

然后這些光線形成一個(gè)光環(huán)，就如圖5那張哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片。當(dāng)星系和望遠(yuǎn)鏡的光線不能完美重合時(shí)，只會(huì)出現(xiàn)微小的弧度，否則我們看到的將會(huì)是一個(gè)完美的圓環(huán)。這些圖片揭示，在觀察者和被觀察的星系之間必然存在著某種重要的巨大物質(zhì)。這項(xiàng)技術(shù)足以確定宇宙中暗物質(zhì)的分布情況，并組成另外一種探測(cè)暗物質(zhì)存在的方法。

兩個(gè)星團(tuán)的碰撞

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)主要圍繞在星系周?chē)?。一個(gè)星系由一群恒星組成（我們所在星系被稱為銀河系），而100個(gè)以上的星系聚集而成的是銀河星團(tuán)或疏散星團(tuán)。有時(shí)，向相反方向移動(dòng)的兩個(gè)星系團(tuán)會(huì)發(fā)生劇烈的碰撞。

為更好地理解發(fā)生的這一切，可以將星系團(tuán)想象為美國(guó)的一個(gè)橄欖球隊(duì)，每個(gè)球員代表一個(gè)星系，整個(gè)球隊(duì)形成了一個(gè)有凝聚力的星系團(tuán)，就像蜂群一樣。同時(shí)我們這個(gè)想象中的足球隊(duì)不僅有正常球員，還有幽靈球員。正常球員代表星系團(tuán)中的可見(jiàn)物質(zhì)，幽靈球員代表星系團(tuán)中的暗物質(zhì)。我們現(xiàn)在可以來(lái)模擬一下兩個(gè)星系團(tuán)之間的碰撞，這就像兩個(gè)球隊(duì)互相向著對(duì)方?jīng)_撞時(shí)的情景，每個(gè)球隊(duì)都同時(shí)擁有正常球員與幽靈球員。

當(dāng)兩隊(duì)發(fā)生碰撞時(shí)，正常球員會(huì)撞到另一方球員并且速度大減。最后，兩隊(duì)球員想盡辦法通過(guò)糾纏區(qū)，并在摩擦中使自身變熱。但是，幽靈球員通過(guò)時(shí)絲毫不會(huì)減速。最后，每個(gè)團(tuán)隊(duì)的幽靈球員都輕松超越了自己的正常隊(duì)友，因?yàn)楹笳咚俣茸兟?。碰撞?dǎo)致這兩類球員分離開(kāi)來(lái)，并由幽靈球員打頭。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到了子彈星團(tuán)發(fā)生碰撞的圖像。在摩擦力的作用下，所有這些物質(zhì)在碰撞過(guò)程中變熱并產(chǎn)生大量X射線。暗物質(zhì)和可見(jiàn)物質(zhì)之間的位置轉(zhuǎn)移在發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系團(tuán)中都清晰可見(jiàn)。

普朗克合作項(xiàng)目的天體物理學(xué)家還使用了另一種方法確定宇宙中暗物質(zhì)的量：對(duì)宇宙微波背景的研究。在討論這個(gè)問(wèn)題之前，我們必須首先說(shuō)一下宇宙的起源，即138億年前的宇宙大爆炸。

大爆炸標(biāo)志著宇宙的誕生。在大爆炸發(fā)生的瞬間，產(chǎn)生的高溫達(dá) 1027度左右（在這種溫度下，我們沒(méi)必要詳細(xì)明確所用的是攝氏度、華氏度還是開(kāi)氏度）。溫度太熱以至于只有輻射存在。經(jīng)過(guò)最初幾分之一秒的超速膨脹之后，宇宙繼續(xù)向外延伸，但速度卻要慢得多。宇宙中所包含的所有能量在一個(gè)不斷增大的空間內(nèi)分散開(kāi)來(lái)，于是宇宙慢慢冷卻下來(lái)。同樣類型的冷卻發(fā)生在給輪胎內(nèi)胎放氣的過(guò)程中，釋放出來(lái)的氣體在向外擴(kuò)散的同時(shí)也冷卻下來(lái)，當(dāng)你給自行車(chē)輪胎放氣時(shí)就可

圖5位于星系和望遠(yuǎn)鏡之間的暗物質(zhì)，通過(guò)彎曲光線并在星系圖像的周?chē)纬梢粋€(gè)光環(huán)而暴露了其存在，圖為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的星系影像以感覺(jué)到這一點(diǎn)，手按在閥門(mén)上，可以感覺(jué)氣體在通過(guò)你的手指時(shí)逐漸變冷。同樣，大爆炸后，宇宙在向外擴(kuò)張的過(guò)程中溫度也在逐漸下降。

充分冷卻后的宇宙中的內(nèi)含物逐漸“物化”為粒子的形式，一開(kāi)始，夸克和膠子都含有太多能量而不能結(jié)合在一起，于是形成了所謂的夸克-膠子等離子體。

在大爆炸發(fā)生的大約10-10秒后，溫度下降到足以形成質(zhì)子和中子。宇宙在本質(zhì)上仍然由輻射、粒子等物質(zhì)的不斷出現(xiàn)和消失構(gòu)成。經(jīng)過(guò) 380 000年，原子形成，又經(jīng)過(guò)10億年，星系和星系團(tuán)等巨型天體結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)。

大爆炸中釋放的能量最初以輻射的形式出現(xiàn)。在向外擴(kuò)張的過(guò)程中，宇宙冷卻到一定程度時(shí)粒子開(kāi)始出現(xiàn)。380 000年后，溫度降至6 000℃左右，原子開(kāi)始形成。因?yàn)橹灰哂谶@個(gè)溫度，原子就會(huì)分解。這是一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻：宇宙完成了一次從含有帶電粒子的“高能湯”到由中性原子構(gòu)成空間的過(guò)渡，最終導(dǎo)致了電磁波的自由傳播，如光。因此，宇宙變得透明起來(lái)，光能夠自由傳播。那時(shí)候出現(xiàn)在宇宙里的所有的光在今天幾乎仍然存在著，因?yàn)樵谶^(guò)去的138億年里，在光向前行進(jìn)的路上，幾乎沒(méi)有遇到任何能夠阻擋它們的東西。

這怎么可能呢？人們必須明白，宇宙在本質(zhì)上，過(guò)去是一個(gè)巨大的空間，今天仍然還是。當(dāng)然，雖然地球或任何恒星的密度要高得多，但恒星之間和星系之間的距離是如此之大，宇宙的平均密度只有每立方英尺1個(gè)質(zhì)子，或每立方米5個(gè)質(zhì)子。相比之下，35立方英尺（1立方米）的水就含有6×1029個(gè)質(zhì)子和中子（這兩種粒子的質(zhì)量大致相同）。如果我們能將宇宙壓扁為相當(dāng)于水的密度的盤(pán)狀，這個(gè)巨大的半徑為90億光年（當(dāng)前宇宙的大?。┑钠瑺钣钪娴暮穸葘H有1毫米。所以，宇宙大爆炸380 000年后產(chǎn)生的幾乎所有光到今天仍在宇宙四處游蕩并且從未遭遇到任何阻礙也就不足為怪了。

圖6宇宙的起源

圖7如果宇宙中所有的可見(jiàn)物質(zhì)向同一個(gè)方向壓縮到水的密度（每立方米 1 000千克），它將被簡(jiǎn)化為一個(gè)半徑為90億光年的片狀宇宙，其厚度僅有1毫米

宇宙微波背景

化石輻射（fossil radiation，又稱為射電輻射，在宇宙中的密度非常高，是宇宙誕生初期產(chǎn)生的），又叫做宇宙微波背景輻射，可追溯到宇宙誕生才380 000年的時(shí)候。如果說(shuō)今天的宇宙是一位100歲的老人，按這個(gè)比例，380 000歲的宇宙相當(dāng)于才出生1天的嬰兒。一個(gè)嬰兒宇宙！這最早的光在太空中旅行了大約138億年，如今仍然從四面八方抵達(dá)我們所在的地球。

像光這樣的電磁波，溫度和變熱時(shí)釋放出的光輻射之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。宇宙溫度達(dá)到6 000℃時(shí)，可見(jiàn)光向外輻射，就像我們將金屬加熱到開(kāi)始發(fā)光一樣。在宇宙向外擴(kuò)張期間，宇宙的能量在一個(gè)更大的空間內(nèi)擴(kuò)散開(kāi)來(lái)。宇宙開(kāi)始冷卻，就像我們將一杯熱水倒入一片體積大得多的冷水中一樣。一滴滴熱水將它們的部分能量釋放到整個(gè)液體中，直到最后整個(gè)液體的溫度達(dá)到比最初的一杯熱水低得多的溫度。

今天宇宙的溫度僅僅只有-270.425℃（或按絕對(duì)溫標(biāo)，開(kāi)氏2.725度）。這個(gè)溫度與微波輻射的范圍相對(duì)應(yīng)，早期宇宙的可見(jiàn)光仍然存在，但以微波的形式存在。

這一宇宙圖（圖8）是建立在普朗克衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)收集到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的。衛(wèi)星掃描宇宙，在微波范圍內(nèi)尋找這種化石輻射。它是宇宙最古老的圖片，它告訴我們宇宙誕生之初的模樣，還為我們提供了宇宙誕生那一刻粒子是如何結(jié)合在一起的寶貴信息。最值得關(guān)注的是，宇宙不再是同質(zhì)的，而是充滿了大大小小凝聚在一起的“團(tuán)塊”。

宇宙的演化

我們可以用棱鏡將光線分解成各種顏色，這種方式也可以用來(lái)分析宇宙輻射。每種顏色對(duì)應(yīng)于某個(gè)特定波長(zhǎng)，并擁有精確的頻率。宇宙學(xué)家研究了大量的與每種頻率相關(guān)的輻射。不同的頻率對(duì)應(yīng)于細(xì)微的溫度變化，這種差異在示意圖上由不同顏色的小點(diǎn)或團(tuán)塊顯示出來(lái)，每個(gè)團(tuán)塊的大小及其溫度都與宇宙的演化相關(guān)。

圖9是根據(jù)其在圖片中的大?。ń菍挘├L制前一張圖中每個(gè)團(tuán)塊的溫度變化而得來(lái)的。各個(gè)小點(diǎn)代表實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。附加在點(diǎn)上的幾條短的豎線代表實(shí)驗(yàn)誤差。這些數(shù)據(jù)與理論宇宙學(xué)模型的預(yù)測(cè)相對(duì)照，描述了宇宙物質(zhì)從大爆炸到現(xiàn)在是如何形成和演化的。這個(gè)模型有6個(gè)調(diào)節(jié)變量，其中兩個(gè)是暗物質(zhì)的密度和暗能量的密度。普朗克項(xiàng)目的科學(xué)家通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)以適合它們的實(shí)驗(yàn)觀察，結(jié)果確定了這兩個(gè)參數(shù)的密度。通過(guò)此過(guò)程，他們確定了宇宙物質(zhì)中23%是暗物質(zhì)，68%是暗能量。

圖 9根據(jù)其大?。ɑ蚪菍挘皥D中以不同顏色顯示的溫度變化在本圖中標(biāo)繪了出來(lái)。實(shí)線代表理論描述的宇宙從開(kāi)始直到現(xiàn)在的進(jìn)化模型，它的6個(gè)自由變量可以通過(guò)調(diào)整與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)相符合。其中兩個(gè)變量是暗物質(zhì)的密度和宇宙中暗能量的密度。通過(guò)調(diào)整參數(shù)與數(shù)據(jù)點(diǎn)相匹配，普朗克實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家斷定，宇宙物質(zhì)的23%是暗物質(zhì)，68%是暗能量

圖8這是我們所在的宇宙最古老的照片，它告訴我們大爆炸380 000年后宇宙的模樣。宇宙中的物質(zhì)不再呈均勻式分布，而是開(kāi)始聚合起來(lái)，形成作為“種子”星系的團(tuán)塊。這張照片根據(jù)宇宙微波背景重建，光以微波形式從太空各個(gè)方向輻射向地球，微皮輻射在太空中徘徊了約138億年，因?yàn)橛钪姹举|(zhì)上是一片虛空，沒(méi)有任何東西能阻擋這種輻射的傳播

暗物質(zhì)和星系“種子”

宇宙學(xué)這門(mén)研究宇宙進(jìn)化的科學(xué)，已經(jīng)證實(shí)了暗物質(zhì)的存在。宇宙學(xué)研究不僅證明了普朗克實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與宇宙理論預(yù)測(cè)的一致性，同時(shí)也明確了暗物質(zhì)在星系形成中發(fā)揮的重要作用。如今絕大多數(shù)的宇宙學(xué)家認(rèn)為，在大爆炸后，幾乎所有宇宙物質(zhì)（包括暗物質(zhì)和可見(jiàn)物質(zhì)）都是均勻分布的，就像一片巨大的霧。正如前面提到的，緊接大爆炸后，宇宙迅速擴(kuò)張，導(dǎo)致宇宙迅速冷卻。3分鐘后，微粒開(kāi)始形成原子核。第一個(gè)帶電中性原子在大爆炸380 000年后出現(xiàn)，星系形成的時(shí)間介于大爆炸后1億年至10億年間。

宇宙是如何從一片巨大的均勻分布的物質(zhì)演化成一個(gè)個(gè)星系這樣的巨型結(jié)構(gòu)的呢？原子是如何聚合在一起，從而使我們從朦朧宇宙變?yōu)閳F(tuán)塊宇宙的呢？暗物質(zhì)可能在其中起著重要作用。因?yàn)榘滴镔|(zhì)很有可能比普通物質(zhì)更重，可能是最早減速的。一些很微小的波動(dòng)逐漸變成微小團(tuán)塊的暗物質(zhì)。這些團(tuán)塊越來(lái)越大，通過(guò)其引力作用吸引了更多的暗物質(zhì)，最終通過(guò)雪球效應(yīng)越變?cè)酱?。因?yàn)榘滴镔|(zhì)通常似乎只與引力產(chǎn)生微弱的相互作用，它與其他3種力并無(wú)交集。在宇宙形成之初，細(xì)微積聚的暗物質(zhì)似乎能更好地抵御宇宙形成初期的電磁輻射風(fēng)暴。相比之下，在此惡劣的環(huán)境下，普通物質(zhì)的凝集一定要困難得多。

圖10宇宙中的物質(zhì)分布可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬獲得。模擬的起點(diǎn)是通過(guò)宇宙微波背景獲得的最古老的宇宙圖，這張圖顯示了大爆炸380 000年后宇宙物質(zhì)的分布。在模擬模型中，宇宙物質(zhì)在引力作用下以加速運(yùn)動(dòng)向前移動(dòng)138億年。背景圖片與3張局部放大圖顯示了模型所預(yù)測(cè)的應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)今宇宙中發(fā)現(xiàn)的各種規(guī)模的結(jié)構(gòu)。觀察結(jié)果與計(jì)算機(jī)的預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合，證明了包括暗物質(zhì)存在理論的演化模型確實(shí)與宇宙進(jìn)化實(shí)際相一致

在宇宙開(kāi)始膨脹后，一旦可見(jiàn)物質(zhì)冷卻，它就開(kāi)始在已經(jīng)形成團(tuán)塊的暗物質(zhì)附近積聚起來(lái)。因此，暗物質(zhì)為星系的形成播下了種子。歐洲核子研究中心的宇宙學(xué)家亞歷山大·阿爾貝（Alexandre Arbey）肯定地說(shuō)道：“如果沒(méi)有暗物質(zhì)，這一切也有可能會(huì)發(fā)生，但可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間?！?/p>

模擬宇宙的形成

為測(cè)試這一假設(shè)，宇宙學(xué)家建立了宇宙模型進(jìn)行模擬。一個(gè)成功的演化模型應(yīng)該從我們擁有的380 000歲的宇宙圖像開(kāi)始，在模擬了138億多年里宇宙的進(jìn)化過(guò)程后，最終得出與我們今天所觀察到的宇宙相似的結(jié)果。這樣的模型是存在的，借助于計(jì)算機(jī)模擬（現(xiàn)有的強(qiáng)大計(jì)算能力已經(jīng)使模擬成為可能），這些模型重現(xiàn)了在加速模式下宇宙的演化過(guò)程。有好幾個(gè)視頻已經(jīng)證明這種處理是可能的，這些視頻包括法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）讓-米歇爾·阿里米（Jean-Michel Alimi）的團(tuán)隊(duì)和普朗克實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的模擬視頻，這兩段視頻在幾秒鐘的短暫時(shí)間里快速重現(xiàn)了宇宙在138億年的演化過(guò)程，以及各種大型宇宙結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程。

圖10是計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬的宇宙結(jié)構(gòu)圖像。圖片背景中的宇宙物質(zhì)基本上呈均勻式分布，但如果我們將鏡頭移近，就可以看到許多大型絲狀結(jié)構(gòu)，如圖中最上面放大圖中所清晰顯示的。圖中最明亮的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于暗物質(zhì)最集中的地方，并且是星系形成的“種子”。放得最大的圖片顯示了我們所看到的星系，例如通過(guò)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所看到的星系的樣子。不包括暗物質(zhì)存在的理論模型無(wú)法產(chǎn)生這樣的大型結(jié)構(gòu)，由此暗物質(zhì)的存在又多了一個(gè)論據(jù)。

暗物質(zhì)存在的證據(jù)

總而言之，支持暗物質(zhì)的存在的證據(jù)可歸結(jié)為以下5種：

1.螺旋星系中恒星的旋轉(zhuǎn)速度表明，這些星系中除了可見(jiàn)物質(zhì)之外，還包含更多不可見(jiàn)物質(zhì)。

2.引力透鏡通過(guò)折射來(lái)自大片暗物質(zhì)背后天體發(fā)出的光線，揭示了暗物質(zhì)的存在。

3.星系團(tuán)的碰撞，如哈勃太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到的子彈星系團(tuán)的碰撞，清楚地表明暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的表現(xiàn)有所不同。引力透鏡揭示了暗物質(zhì)的存在，而可見(jiàn)物質(zhì)可通過(guò)其釋放的X射線檢測(cè)到。

4.為了重現(xiàn)普朗克實(shí)驗(yàn)測(cè)量到團(tuán)塊宇宙物質(zhì)的分布，暗物質(zhì)是一個(gè)不可或缺的基本參數(shù)。

5.暗物質(zhì)是星系形成的催化劑，如果宇宙中只有可見(jiàn)物質(zhì)，這些星系的形成將需要更多的時(shí)間。

[資料來(lái)源：American Scientist][責(zé)任編輯：朝 云]