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宇宙中暗物质看不见的团聚力

时间:2020-09-15    点击: 次    来源:986文章网    作者:佚名 - 小 + 大

宇宙中暗物质——看不见的团聚力
86.大爆炸宇宙学面临的困难
前面我们介绍了大爆炸宇宙学的建立和成就。从哈勃定律的发现,到宇宙原初核合成解决氦丰度问题和 3K 微波背景辐射的预言和发现,以及 COBE 卫星探测到的微波背景辐射的高度均匀性,使大爆炸宇宙学达到了光辉的顶峰。就像其他理论的命运一样,正是它取得辉煌成就的同时暴露了它的问题。
首先就是均匀性问题。宇宙为什么会如此均匀和各向同性?早先人们把宇宙的均匀性与各向同性作为一种假设。当成是为了简化模型便于求解的某种约定。但微波背景辐射的高度均匀性使这个先前的假设成为受到高度精确的观测检定的客观事实。这样一来它就不是这样想当然的事情。而应该是宇宙中各个部分各种相互作用反复作用的结果。有如两种物质混合在一起,开始总是不均匀的,由于两种物质的分子相互碰撞,经过一段时间后形成均匀的混合或化合物。有的情况下,两种物质不互溶,还得加上一定的物理的或化学的手段。天文观测已达到一百多亿光年的尺度,而且在这个尺度上宇宙是均匀的。那么在这个尺度范围内的各部分间应该已进行过充分的相互作用。按相对论,真空中的光速是任何物质运动及任何相互作用传播速度的上限。而宇宙的年龄也是有限的,因此在宇宙创生以来,物质间能进行相互作用的范围也是有限的。由此推之,宇宙的均匀范围也应该是有限的。一句话:如果大爆炸宇宙学严格成立,那么宇宙不应该如此均匀。这个均匀性问题,也可称为视界问题。通常视界包括观测视界和事件视界,前者是指观测过程中讯号以光速传播,因此一定时间内所能观测到的范围是有限的,后者是指同样条件下相互作用能到达的范围是有限的。
图 30 用时空图表示的视界问题。图中 to 是现在时间,P 表示我们今天所在的时空位置,而今天我们所收到的背景辐射分别来自图中 x 的正、负向即 A 和 B 所在的位置,而宇宙的各向同性意味着 A 和 B 具有相同的辐射性质且同处于宇宙时 tR。然而从宇宙开端到宇宙透明并开始发出背景辐射的时刻tB,有因果联系的范围 ab 是由条件 ab=2ctR 所决定的。这个范围就称为视界。作为一个自洽的理论体系应该有 ab≥AB。但按照大爆炸宇宙学只能得到相反的结果,即视界 ab 远远小于 AB。这就给大爆炸宇宙学带来困难。
第二个问题是平性问题。前面我们已介绍,宇宙的理论模型所描述的宇宙可以有三种可能情况:即开放的,封闭的和临界的。它们取决于宇宙的减速因子 qo 或者物质密度因子Ωo。很多观测事实表明 qo 十分接近 1/2,或者说Ωo。十分接近于 1。如此巨大的取值范围为什么恰好选择了这个临界值?仅用巧合是难以令人信服的。是否在宇宙的演化过程中存在某种调节机制使宇宙密度自然地到达这个数值。
在大爆炸模型与物理学中为了统一强、弱和电磁相互作用的大统一理论结合,成功地解释了宇宙中的光子和重子之比,同时合理地解释了重子和反重子间的不对称。但按大统一理论,宇宙早期会发生“真空相变”。通常我们习惯于把物理上的“真空”理解为一无所有的空间区域。而按现代物理学的理解,真空乃是各种物质场的基态,因此,它并非一无所有,而且可能有多重不同的真空态。设想自然界中有一种场,并用δ描述该场的场强。一般说来,“空的空间”应该相应于δ=0,即处于真空态时场强为零。所以,从现代粒子物理观点来看,真空之所以相应于δ=0,不在于它是一无所有的“空”,而在于δ≠0 状态的能量比它高。图 31 给出了一种场的能量随δ取值而变化的曲线,δ =0 能量是极小,故对应于基态,即真空态。我们已说过,真空态并不是唯一的。如果δ场的能量曲线是如图 32 所示,那么真空态就可能有两个,即δ= δo 和δ=-δo。对于这样一条曲线,δ=0 也仍然是个极值。但它是极大值,故此时对于δ=0 的态是不稳定的。一种场强δ的能量曲线一般说来是温度的函数。如果存在某个临界温度 To,当实际温度高于它时,能量曲线由图 31 表示,反之则由图 32 表示。此时真空态在温度下降过程中就会从一种稳定状态过渡到不稳定的状态,并将发生所谓的“真空相变”。而按大统一理论,这个相变过程中将有大量的“磁单极子”产生。我们在现实世界中所观察到的只有电荷,但无磁荷。也就是说,没有磁单极存在。但从理论上考察磁单极子是可能存在的,且按大统一理论,在宇宙大爆炸过程中,这种磁单极会大量产生。1982 年美国斯坦福大学的卡伯来拉曾宣称他们已探测到了一个磁单极事件。可惜 10 多年过去了,不仅别人,就连他们自己也再没能重复这种探测。于是大爆炸宇宙学又面临一个“磁单极”问题。当然,这个问题也可能是大统一理论本身的。
此外,大爆炸宇宙模型认为宇宙起源于时空奇点的爆炸。但它本身不能解决“奇点”问题。这也是给大爆炸宇宙学带来的疑难。
87.暴胀宇宙的成就和困难
1981 年,美国物理学家古斯提出了一种摆脱困境的有效途径,就是“宇宙暴胀”。他原本是借助经济上的通货膨胀(in-flation)一词得来。暴胀模型和通货膨胀之间确实也存在某种可以类比之处。
在社会的经济发展过程中,失业率和通货膨胀率之间是一对矛盾因素。想要压低通货膨胀率,势必要增加失业率;而人为地压低失业率又会增加通货膨胀率。理论研究表明,膨胀宇宙中磁单极子的产生率和宇宙膨胀率之间也是这样一对矛盾因素。宇宙的膨胀率越低,磁单极子的产生率就越高。而为了压低磁单极的产生率(以适应实际上并未观察到磁单极子的客观事实)就必须有很高的宇宙膨胀率。
暴胀模型认为,当宇宙的温度下降到某一个临界值 Tc,甚至 T在图 33 所示的模型中,人们把δ=0 处的真空态称为假真空态,而δ=δ o 的真空态称为真真空态,两者间过渡时的相变是通过真真空泡的形成而迅速发生的。按量子理论,假真空只能通过隧道效应来衰变;而这是一个局域过程,新相的泡是在旧相之内无规形成的,因此,不可能同时产生。因此,即令每个泡都以光速膨胀,后发生的宇宙泡将小于可观测宇宙的尺度。也就是说,在可观测宇宙之内将存在一些小泡。这些泡间互相碰撞,直到整个宇宙变成新相。但由于宇宙膨胀得如此之快,使这些泡之间只能互相远离,不能结合在一起。结果使宇宙变成一种非常不一致的状态,破坏了它的均匀性,这与观测事实矛盾。
为了克服上述困难,林德于 1982 年提出了对古思暴胀模型的修正方案,现在人们称这些方案为新暴胀模型。这个模型假设:如果每个泡泡都如此之大,以致我们宇宙的区域被整个地包含在一个单独的泡之中,则可避免泡泡不能合并在一起的困难。研究表明,这要求宇宙由对称相向对称破缺相过渡变化必须在泡泡中进行得十分缓慢,而按粒子物理中的大统一理论,这种过程是相当可能实现的。但不少研究又表明对于极早期宇宙是否真存在这类所需要的相变是很值得怀疑的。林德在 1983 年又提出了一个更好的混沌暴胀模型。此模型不用相变和过冷,而代之以存在一个自旋为 0 的场。我们知道每一个基本粒子除了有具有质量、电荷外还有宇称、自旋、磁矩等物理特征量。这些量虽然可以与经典物理量类比,但并不完全一致。例如自旋它尽管可以表现出经典动量矩的特征,但基本粒子的自旋却是一个量子化的量。在经典物理学中,一个矢量可以指向任何方向。相对于人们称为 Z 轴的某方向,经典角动量矢量可以取不同的角度。但是,在基本粒子的量子物理学中,一旦选定了 Z 轴,角动量矢量的方向就不是任意的了。它只允许指向几个固定的方向,这些角度的数量与矢量的长度有关。不同的自旋量将粒子分成了不同类型。粒子的自旋量子数为 1/2 的整数倍。在四大类粒子中,光子的自旋为1,统计性质上是玻色子;轻子和重子的自旋为 1/2,是费米子;而介子的自旋为 0,也是玻色子。自旋为 0 的场的量子涨落,在早期宇宙的某些区域有大的场量。在那些区域中,场的能量起到宇宙常数的作用,它具有排斥的引力效应,因此使得这些区域以暴胀形式膨胀。当它们膨胀时,其场的能量慢慢地减小,直到暴胀改变到犹如热大爆炸模型中的膨胀时为止。这些区域之一就成为我们观测到的宇宙。这个模型既具有早先暴胀宇宙模型的所有的优点,但它不是取决于使人生疑的相变,并且还能给出微波背景辐射的温度起伏,其幅度与观测相符合。
这样,按暴胀宇宙模型,当宇宙处于 10-35 秒~10-32 秒间,宇宙经历过一个急剧地膨胀阶段,宇宙尺度增长的幅度达 50~60 个量级。这样一来,大爆炸宇宙学的因果疑难,平性困难都自然地解决了。但奇点问题等,暴胀宇宙任未加以解决。
88.中微子有静质量吗
本书中我们已多次提及中微子,一开始就介绍了中微子天文学,后来又介绍了太阳中微子之谜。我想读者会有一个很深的印象,相信中微子在天体物理学中确实起着十分重要的作用。但究竟“什么是中微子?”也许不少读者仍不十分明确。人们可以毫不含糊地说:中微子是一种基本粒子。它具有物理学中其他基本粒子所具有的性质。人们常说:1931 年泡利“发明了”中微子。也许不少读者认为,科学家进入实验室时,是不带任何成见的,并忠实地报告他的见闻。他们或许想象,科学家像一个优秀的捕鸟人,一个新的粒子发现好比是捕捉到了一种新的珍禽。
实际上,科学上的新发现,特别是近代物理学中,差不多总是与上面的叙述相反。科学家往往总是带着一定的成见走进实验室。这些成见就是他们所接受的科学原理,在他们进行实验前总认为这些原理是正确无误的。物理学中的绝大多数实验,都是想证实理论所预言的结果。就像天文学家预言了海王星的存在,人们按其指示的方位和时间去等待它的出现那样。现代的物理学家绝不会像守株待兔的农夫,呆在树下等待某只不小心的野兔撞死在树下。当科学家发现某一现象与他的固有看法相抵触时,最振奋人心的发现就出现了,而一位优秀的科学家的特点,就是他能取得十分可靠的结果,因而他能坚信他自己的结果,而不致于陷入先入为主的下意识观念。
在泡利发明中微子之前,人们已清楚地从实验认识到,在β衰变中发射出的电子能量并不固定。这个实验事实只有两种可能解释:不是能量和动量不守恒,就是β衰变并不是双体的,即除电子和核外,还要放出别的粒子。当时,包括玻尔在内的一些物理学家,曾打算在β衰变中放弃能量守恒与动量守恒等概念。而泡利深信守恒定律的普适性,他不相信在自然界中唯独β衰变过程不遵从守恒定律。他提出的这个附加粒子后来费米把它叫做“中微子”。费米建立了第一个定量的中微子理论。他假设存在着一种看不见但遵从量子力学一般规律的粒子,并由此建立起与很多实验相吻合的β衰变理论。按费米理论,通过对β衰变中发射出的电子能量极大值的测量,如果已知电子、母核与子核的质量,我们就能知道中微子的质量。这是用非零值的未知中微子质改写能和动量守恒方程的结果。然而,测量中微子质量远非表面上看来那么容易,以至中微子的质量至今仍是一个大的谜团。但最简洁和最漂亮的中微子理论是以其静质量准确地为零的假设出发而得到的,这是当时物理学家一致公认的结果。
1980 年,一些粒子物理学家宣称,中微子的静止质量可能不为零,前苏联的一个实验小组则更具体地宣布:电子中微子的静质量约为 6×10-32 克。这个消息,在当时,在天体物理学界的反响远远大于粒子物理学界。
原来中微子不是重子,通常天文学家所观测到的天体的各种辐射都是与重子物质有关的。理论分析表明,在宇宙中,中微子的数量远远多于重子物质的数量。只要每一个中微子有很小的静质量,其总和就会远远大于重子物质成分的质量,成为宇宙质量中的主导成分。粗略地说,在目前的宇宙中光子的数目和中微子的数目大体相等,每立方厘米的体积中大约有 400 个。每个光子的平均质量为 1.1×10-36 克。所以,光子对宇宙平均质量密度的贡献

1.1×10-36×400=4.4×10-34(克/厘米 3)<<ρc
如果中微子的静质量为零,则它对宇宙平均质量密度的贡献不会超过光子的贡献。但若中微子果真有上面所述的静质量,则它对宇宙平均质量密度的贡献将为
6×10-32×400=2.4×10-29(克/厘米 3)>ρc
即,仅中微子的质量贡献就使宇宙的平均物质密度超过了宇宙的临界密度,从而可能使宇宙是封闭的。小小的中微子竟可能决定整个宇宙的命运!尽管中微子的静质量至今仍是一个未解之谜,但是,关于中微子静质量的风波却引出了天体物理学中的一个新的研究领域——宇宙中的暗物质。它是一个有待天体物理和粒子物理共同去开发的新天地。粒子物理学家希望在这个新领域中找到或证实他们所预言的许多“暗”粒子。
89.热暗物质,温暗物质和冷暗物质
80  年代兴起的超对称、超引力等理论,预言了很多新粒子。它们都不是重子,它们大都不参与电磁作用,或只有很弱的相互作用,极难甚至不可能在现今的实验室中发现它们。而这样一些粒子如果真实存在,它们也将像有静质量的中微子那样为宇宙的平均物质质量密度做贡献。也就是说,或许正是这些粒子组成了宇宙中的各种不可能发光的各种“暗”物质。下面的表给出了暗物质可能候选者的名单:
由表可以看出,多数的候选者都是微粒子。所以说,如果这种理论正确,那么宇宙中百分之九十的物质将由不可能发光的微子组成,而不是迄今为止天文学家所直接观测到的发光物质。也就是说,宇宙中的绝大部分成员都是伟大的哑巴!而我们前面所介绍的形形色色的天体歌星仅是其中的少数佼佼者!
也许有的读者会说,既然是观测不到的东西,我们为什么还要去研究它们呢?天文学不是以观测为基础吗?研究表明,具有静质量的微粒子虽然不可能发光,因而不能被人们直接观测到。但它们在宇宙的演化,特别是在宇宙大尺度结构的形成过程中扮演了极重要的角色。我们已说过,微粒子很少能与普通重子物质发生相互作用。因此,在极早期宇宙的极高温和高压下各种物质高度混合的物质“浓汤”中,各种微粒子会首先“逃”出浓汤而“独立”,天文学家称之为“退耦”(即不再与浓汤中的物质发生碰撞或其他相互作用)。而这些游离的微粒子在引力的作用下会成团。这些团当然不会产生什么观测效应,但其引力却形成了一种“看不见的团聚力”,它像化学反应中的“触媒剂”那样,促使后来退耦的重子物质很快成团,从而有效地改变了宇宙的大尺度结构和星系的形成进程。研究表明,对于具有不同静质量的微粒子,这种影响是极不相同的。为此,人们将由各种微粒子组成的暗物质按其质量大小分成三种不同类型。取其典型质量为 10eV、1keV 和 1GeV 分别称之为热暗物质、温暗物质和冷暗物质。由于这些粒子的质量都非常小,它们都是相对论性的,即总是以极接近光的速度运动。按相对论,静质量越小的粒子运动速度越接近光速。其特点是退耦早,因而开始成团的时间早。但它容易抹平一些小尺度的重子物质的成团。这一点与宇宙中存在多种小尺度结构的观测事实不相符合。因此,天文学家很快就对热暗物质失去了兴趣。冷暗物质虽然有能保存小尺度结构的优点,一度是天文学家所偏爱的选择,但由于它退耦时间晚,致使宇宙中各种尺度结构的形成时间过长,以至按严格的理论计算星系等结构至今尚未完全形成。这也与观测事实不符。当然,在考虑宇宙大尺度结构形成中除了暗物质成分因素外,尚需考虑各种动力学和热力学等因素。
90.暗物质存在的观测依据是什么——星系周围物质的转动曲线
也许读者会感到暗物质像一个“幽灵”,它几乎无所不在而又捉摸不住。实际上由于暗物质仍参与引力相互作用。因此,能通过引力效应间接地证实暗物质的存在。所谓星系的转动曲线,是指围绕漩涡星系转动物体的速度与其半径的关系。它就是天文学家证实暗物质存在的基本观测依据。
对于一个旋转的刚体某一点的转动速度与其到转心的距离成正比。而对于太阳系,行星绕太阳的转动速度与行星的轨道半径的平方根成反比,即距太阳越远的行星,转动速度越小。这也是开普勒定律中的一条。它对于任何绕一个大质量的中心物体作转动的运动都是适用的。因此,如果一个星系中的质量都集中在发光区,那么,发光区之外的物体的转动速度也应当遵从上述的开普勒定律:距星系中心越远的物体,转动速度应越小。
观测结果却与开普勒定律完全不同。图 34 显示了一些星系由 21 厘米射电波观测所得到的旋转曲线。它们表明:在大量的星系的发光区之外,物体的转动速度几乎与距离无关。也就是说,在距星系不同距离上的物体,竟然具有相同的转动速度!对于这个“反常”的观测结果的唯一可能解释是:在星系周围的空间里,并不是真空,而是存在着质量相当可观的物质晕。这些晕是不发光的,不可视的。在我们介绍银河系时也曾提及这一点。实际上, 1983 年曾发现,在距银心 20 万光年的距离上,有一颗名为 R15 的星,其视向速度高达 465 公里/秒。要产生如此大的速度,也表明银河系的总质量也至少比光学区的质量大十倍,即银河系的质量中也有百分之九十是属于暗物质。这些暗物质究竟是属于什么性质的物质?天文学家常把这个问题称为宇宙的质量短缺。
一种很自然的猜想是暗物质由弥漫的气体所贡献。在银河系中确实有不少的气体云,那么星系际空间是否也有类似的这类气态物质呢?简单的分析表明,只要在星系团中平均每平方厘米体积中有 1/100 个氢原子,其总质量贡献就足以解释星系旋转曲线的观测结果。这种物质密度若放在地球上的实验室可称得上是很好的真空条件了,的确可以说是不可视的,即很难加以测量。可是对于天文观测来说,这种密度已经算是很高的了。
物理学研究表明,中性的氢气会发射或吸收波长为 21 厘米的射电波,探测这种信号的分布就可以判断氢气的分布和密度。而在射电背景辐射中没有搜寻到 21 厘米的发射线,在一些射电源的谱中也没有 21 厘米的吸收线。分析这些观测结果表明,氢气的密度决不高于每立方厘米百分之一这个数值。通过更精确的可见光波段的类似观测可断定在星系际空间氢原子的密度不会高于每立方厘米 10-12。至于其他元素如锂、碳、氧、镁、铝、硅、硫和铁等的原子的密度也不可能超过氢气的密度。
通过对星系团中 x 射线观测的分析可知,电离气体的密度也很小,以至不足以用电离气体来说明质量短缺的所在。如果短缺质量以尘埃形式存在,则它会引起星光的昏暗。通过定量的分析估计,弥散尘埃的质量最多只占星系团中恒星质量的百分之一。理论上的各种分析也排斥了短缺质量由“死亡了”的恒星提供的可能性。一句话,宇宙中的短缺质量绝不可能是由重子物质构成的。前面所介绍的非重子暗物质刚好可能填补这个短缺!这正是天文学家热衷于非重子“暗物质”的基本原因。
91.引力透镜——光在宇宙空间中如何传播
光线在宇宙空间如何转播!这也是个问题吗?光线在真空中走直线,这还有什么疑惑吗?爱因斯坦所建立的广义相对论其三大经典验证中有两个是涉及光的传递性质的。其一是光线的引力红移,它表明光在离开引力场时与一般物质一样,会损失能量。而按光量子理论,光子在损失能量后波长增加故红化,这种效应称为引力红移。它被大量的恒星的光谱观测结果所证实。广义相对论关于光的传递性质的第二个预言是光线的引力弯曲。它指出,光线在从一个引力场经过时会像其他物质粒子一样因受到引力吸引而使其轨道弯曲。图 35 就是一束来自遥远天体的星光在经过太阳附近时被太阳所弯曲的示意图。1919 年 5 月 29 日非洲发生日全食,英国天文学家爱丁顿发起,两个英国远征队去进行观测,一队到非洲西海岸,一队到巴西北部。他们带回了大量的太阳附近的恒星观测照片。从这些照片的结果分析,证实了爱因斯坦所预言的结果是正确的。
如果一个遥远的天体,其星光在向地球传递的过程中,经过了一个足够大的质量由于光线的对称偏转很像通过了一个凸透镜而产生的聚焦现象,天文学家把它称为引力透镜现象。引力透镜效应引起了很多有趣的天文现象。最典型的事例是“双类星体”现象。在已观到的七千多个类星体的样本中,有很多双类星体现象。所谓双类星体是在方位位置上相距很近(往往视角差只有几角分),而其他性质极接近甚至完全相同的两颗类星体。例如,类星体 Q0957+561A,B 它们的红移均为 z=1.41,而在其视线上发现了一个红移为 z=0.36 的插入星系其视星等为 18.49、视角半径为 0.24″、椭率为 0.13。这充分证明了这两颗类星体就是一个类星体通过引力透镜现象所形成的双像。对于其他双类星体也有类似的发现。这些观测发现引起了人们对于引力透镜现象的兴趣。刚才说的双类星体现象,可以说是通过点质量成像的事例。爱因斯坦曾预言在一种很对称的情况下一个点光源通过引力透镜现象可能形成一个光环。当然他本人也曾指出这种现象的产生几率很小。近些年来通过欧洲南方天文台 3.5 米新技术望远镜确实发现了光环的事例。
为了证实宇宙弦的存在人们也寻找链状物质分布导致引力透镜成像的特征。在这种情况下一个小天区内可能观测到多个双像。如果在一个天区研究光线传递的整体特征,人们可以分析这局部天区的物质质量分布,其中当然也包括各种暗物质的质量。近几年来,天文学家为此进行了“微引力透镜”效应的研究。如果一个遥远的光源的光的传递路径中插入了某个天体,则该天体的引力也有可能像凸透镜的聚焦效应那样引起光源的亮度增加。倘若这个天体在运动,则这种亮度增加会随时间变化。当天体接近某一个位置时亮度逐渐增加,而到达这个位置时亮度达最大,然后天体远离这个位置,亮度又逐渐变小。这样一来遥远的光源好像是发生了一个随时间变化十分对称的光变。天文学家通过巡天观测,的确发现了几个这种光变的事例,为研究宇宙中的物质质量分布提供了极有价值的新途径。但这个方案研究的初步结果似乎是否定非重子暗物质的存在。

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