隱身的宇宙

原文標題：The Missing Universe

作者：Bob Berman 原文來自：Astronomy Posted：2014年4月刊

暗物質第一次現身是在觀測星系團的時候，例如潘多拉星系團（編號Abell 2744）。上面這張哈勃望遠鏡拍攝的圖像里有數百個星系。它們的個頭差異極大：既有比銀河系大了100倍的龐然大物，也有僅有銀河系質量千分之一的小矮子。（圖片來源：NASA/ESA/J. LOTZ, M.MOUNTAIN, A.KOEKEMOER, AND THE HFF TEAM (STScl)）

81年前，科學家發現宇宙中的絕大部分物質都無法看見。許多天文學家認為它們至今仍然杳不可尋。一些學者為此寢食難安。這個謎肇始於著名的瑞士物理學家茲威基（Fritz Zwicky）。他是從理論上發現中子星的第一人。他還創造了「超新星」這個名詞。他脾氣暴躁，很難相處。可他的學術成就是如此出眾，以至於當他提出精妙想法時，每個人都無法做到視而不見、聽而不聞。

1933年發生的情況就是如此。當時，他正在研究巨大的后髮星系團的運動速度。他從中得到認知令人震驚。后髮星系團的成員星系，個個都運動得非常快，以至於它們不費吹灰之力就能擺脫星系團的引力束縛。按此推理，茲威基意識到這個星系團根本不可能存在。隨後的研究發現其它星系團也面臨著類似的問題。難以理解的是，它們竟然都安然無恙地呆在那兒。

成員星系內部或者彼此之間必然潛伏著額外的引力。這個結論令人困惑不解：看不見的物質主宰著宇宙，提供了巨大的引力。茲威基把這種看不見的物質稱為「暗物質」。這個名稱也就由此固定下來，並沿用至今。

四個彼此獨立的星系團在漫長的3億5千萬年里匯聚成潘多拉星系團（編號Abell 2744）。在上面這幅圖像里，熾熱氣體發出X射線，表現為圖中的紅色部分。藍色區域為推測得到的暗物質分布。（圖片來源：NASA/ESA/J. MERTEN (INSTITUTE FOR THEORETICAL ASTROPHYSICS)/D. COE (STScl)）

根據它加諸於較遠星系的引力作用，哈勃望遠鏡的科學家們推測出編號Abell 1689星系團的暗物質分布，並將之繪製成上圖。（圖片來源：NASA/ESA/D. COE (JPL-CALTECH/STScl)/N. BENITEZ (INSTITUTE OF ASTROPHYSICS OF ANDALUSIA)/T. BROADHURST (UNIVERSITY OF THE BASQUE COUNTRY)/H. FORD (JOHNS HOPKINS UNIVERSITY) ）

家門口的謎題

實際上，早在茲威基發現暗物質的前一年，荷蘭科學家Jan Oort已經在更小的領域內——我們的銀河系——碰到了同樣的問題。按照邏輯推理，銀心附近的恆星旋轉得比較快，而銀河系外圍的恆星則轉得比較慢。這就像我們的太陽系。水星只需三個月便能繞太陽轉一周，而可憐的、被降級的冥王星公轉一圈卻需要25萬年時間。引力隨距離的增加而快速下降。因此，離中心越遠的天體運動得越慢。然而，銀河系，以及其它任何星系，與上面預想的情況截然不同。

拋開銀心附近圍繞黑洞瘋狂旋轉的恆星不談，銀河系其它恆星的轉速差別並不大，就好像它們的油門都被設定在同一值上似的。太陽圍繞銀心的轉速是每秒220公里。若你看看其它恆星，不管它們更靠近還是更遠離銀心，它們和太陽都以同樣的速度繞銀心轉動著。換句話說，銀河系的旋轉曲線是平直的。只有當銀河系置身於一個巨大的、球狀的不可見物質團塊（其總質量至少是銀河系全部可見物質總質量的6倍）中，才可能產生這樣的旋轉曲線。

因此緣故，只有在星系內部和星系之間（無論我們看向何處）潛伏著額外的引力——也即更多的質量——才能使一切講得通。科學家們很快就把這稱為「質量短缺問題」。

盤星系的旋轉曲線描繪出盤中恆星的速度與它們到星系中心的距離之間的關係。觀測到的平直旋轉曲線（藍色實線）暗示著要麼存在一個看不見的物質團，要麼引力在弱引力場中有不同尋常的行為方式。在既沒有暗物質，也沒有修正的牛頓力學的幫助下，旋轉曲線將隨著距離的增加而下滑（紅色虛線）。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

物質不會憑空消失。隨著望遠鏡越造越大，天文學家能觀測的東西也越來越多。可是「缺失的物質」仍在負隅頑抗。年復一年，數十個寒暑過去了。總有一些天文學家時不時舊話重提。而另一些人則選擇視而不見。主流媒體和非科學家們基本上對此不屑一顧。好吧，我們已經知道：我們能看見的物質只佔一小部分，宇宙中還存在著更多看不見的物質。可那又怎樣？或許還有更多未知的恆星。或是更多的塵埃雲。或者是星雲也未可知。也有可能黑洞就是那些引力的提供者。幹嘛那麼重視它？

但是，它的確是一個了不得的問題。恆星會發光——大質量恆星尤其耀眼。所以，不能把問題簡單歸結為還有許多未知的恆星。就算把恆星演化的失敗者——褐矮星計入在內，境況依舊不會好轉。它們的數量遠不足以解決問題。塵埃雲通過遮擋其身後的天體或紅化這些天體發出的光來彰顯自己。天文學家同樣也沒發現足夠多的塵埃雲。遙遠天體發出的光經過長途跋涉到達地球。若它在路上遭遇星雲，星雲的輻射譜線會疊加在這些光的光譜上。天文學家依據光譜便可以追蹤到星雲的存在，結果他們也沒發現存在著許多星雲。

至於黑洞，它們影響著鄰近的所有物質。天鵝座X-1是一個已知的黑洞。它與一顆可見的恆星像兩個相撲選手一樣彼此繞轉（每5.6天轉一周）。黑洞無處藏身。所以，它們也不可能是缺失的物質。再說，黑洞也沒那麼多。

物質那不為人知的一面

由此看來，問題並不那麼簡單。宇宙中存在著天文學家無法解釋的引力。這些引力從何而來？這些引力的供應者——神秘的不可見物質究竟是什麼？

大多數天文學家認為暗物質（簡稱DM）是一些仍未發現的未知粒子。它們與行星、恆星及我們的相互作用微乎其微。出於對首字母縮拼詞的偏愛，科學家把這些粒子稱為WIMPs——即大質量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles）。

這樣的想法並不算是牽強附會。宇宙中最常見的粒子是中微子。它們也是不可見的。它們為數眾多，與普通物質的相互作用也很微弱。每秒鐘都有一萬億個中微子穿過我們的一個手指甲蓋。雖然它們無所不在，從統計上來說，你仍要等上整整一百年，才能等到你身體里的一個原子和中微子發生作用。就算再多疑的人也會選擇無視它。

即便是進一步設想出一種加強型中微子也無補於事。為了獲得觀測到的引力，需要數不清的此類中微子團團包裹住星系。這意味著，星系好比瓶中船一樣被看不見的物質籠罩著。然而，暗物質也蟄伏在其它地方。它與我們形影相隨，充斥在我們正安坐其中的房間里。

與重量幾乎為零的中微子不同，暗物質粒子的質量至少與鉛原子的質量差不多。每秒鐘有幾百個暗物質粒子穿過你的身體。它們是宇宙的主導物質，對宇宙結構的形成影響甚大。充滿暗物質的宇宙就像是一個與我們的世界並行不悖的殭屍帝國。它們雖然無處不在，卻一點不干擾我們的生活。它們既不會幫助我們，也不會危害到我們。

進行中的暗物質搜尋工作包括位於美國南達科他州黑山嶺一個廢棄金礦中的大型地下氙探測實驗裝置。（圖片來源：LUXDARKMATTER）

引力的行為轉變

每隔幾年，科學家便以為他們已經偵察到WIMPs的蹤跡。可是，希望卻每每落空。即便如此，大多數天文學家對最終找到它們深信不疑。一旦對它們驗明正身，我們就可以知道宇宙中最多的物質是什麼了。暗物質的故事也就因此圓滿落幕了。不過，對MOND理論來說，故事還遠未結束。

31年前，以色列物理學家Mordehai Milgrom在富有聲望的《天體物理學報》上發表了三篇論文。他對星系瘋狂運動的問題給出了一個與眾不同的解答。他沒有理會和所有物質都有相互作用的暗物質，而是從數學的角度另闢蹊徑，通過更改引力在弱引力場中的行為方式，獲得了與觀測一致的結果。

無論在當時還是現在，修正牛頓力學定律都是許多科學家力圖避免的事。不過，其所依據的原則還是合理的：假使引力不會無限減小，而是存在一個最小極限值，情況會怎樣？引力隨距離的平方反比下降。如果引力在本該弱到無法加速物質的地方——類似星系外圍——反而給物質提供了更多的力，情況又會怎樣？（如此的情況扭轉也並非史無前例。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，引力在強引力場中的行為方式就與牛頓定律的預測不同。幾乎沒有一位科學家對這個徹底的轉變持懷疑態度。）

如果事實的確如此，暗物質就無需出場了。

這個「修正的牛頓力學」（簡稱MOND）理論把科學家引入到一個至關重要的研究領域——Tully-Fisher關係。1977年，美國天文學家R. Brent Tully和J. Richard Fisher發現旋渦星系的旋轉速度與自身的亮度彼此關聯：越亮的星系轉得越快。這一關係不難理解。星系越亮，說明它擁有的恆星越多，因而質量可能就越大。在其產生的引力作用下，星系也就轉得越快

幾乎所有的星系都服從Tully-Fisher關係，即使它們的面亮度（天體的面平均亮度）彼此差異很大。這一現象不太支持暗物質理論，卻與MOND理論符合得較好。事實上，星系旋轉曲線與MOND理論相符得如此之好，以至於一些類似Stacy McGaugh（任職於美國Cleveland市Case Western Reserve大學）這樣的暗物質支持者改換了陣營。

「我曾和其他人一樣對暗物質深信不疑，」McGaugh說。「其實，從我們把它稱為』質量短缺疑難』那一刻起，我們就已偏向於選擇暗物質作為最終答案。然而，哪一個答案更簡潔明了：是在粒子物理標準模型里根本不佔一席之位，卻在某些地方比其它已知粒子數量還多，並且我們完全探測不到的一種新粒子？還是僅需引力的行為與我們設想的可能有一點不同？」

McGaugh和其他MOND理論支持者確有其道理。引力是四大基本自然力之中最奇異的。無人知道它的行為方式從何而來，也無法解釋它的強度為何服從平方反比律。

「多年以前，為了用暗物質理論解釋面亮度各異的星系的觀測結果，我必須往裡面添加各種模式和假設條件。」McGaugh說。「對暗弱的星系，暗物質理論根本不起作用。我試圖讓它管用，可是理論預測就是和實測不符。到頭來，我發現我只不過是在做著添加各種本輪的無用功而已。」他對著一幅畫輕笑著說。那幅畫影射了在16世紀甚至更早的時候，科學家們為了讓行星的軌道運動符合「地心說」而做的種種努力。

不僅如此，McGaugh還指出：「在暗物質理論中，沒有什麼東西是你不能捏造的。為了讓一切說得通，你可以隨意改變它。科學家可以進行一千次數值模擬，而只挑出管用的那一個。」

測試探測不到的東西

MOND理論確實擺脫了創造一種全新物質的需要。然而，對MOND理論進行真正的測試，需要把探測儀器放置在任何引力場的極遠處。

「我們必須跑到離地球十分之一光年（或說7000個天文單位）遠的地方，」McGaugh嘆息著說。他知道這難度與教一隻貓念自己的名字差不多。在我們的有生之年，沒有一個太空飛行器能飛到那麼遠。目前離我們最遠的太空飛行器是「旅行者」號，它與我們的距離才127個天文單位。

美中不足

不過，MOND理論也有其自身的缺陷。為何引力在弱引力場中行為反常，所有人對此都暗自不解。更何況，MOND理論雖然成功預言了星系是如何旋轉的，它卻無法解釋大尺度領域的運動——例如星系群間的運動。因此，大多數天文學家仍然選擇留在暗物質陣營。

雖然有些學者認為修正牛頓引力定律可以更好地解釋觀測結果，但遙遠背景中的天體發出的光因為受到星系團（MACS 1206）內看不見的物質的引力拉扯而被扭曲。（圖片來源：NASA/ESA/M. POSTMAN (STScl)/THE CLASH TEAM）

英國聖安德魯斯大學的天體物理學家趙紅勝就是其中之一。他把兩大陣營的較量比作四維棋盤遊戲。其中，MOND控制著星系內部，而暗物質則負責更大尺度的空間。他承認，要讓他鐘愛的暗物質模型能在像球狀星團那樣緻密的星團內部起作用，理論就要「召喚出一些魔法」。不過，趙紅勝相信暗物質理論在最大的尺度領域內讓其對手敗下陣來。「根據MOND理論，星系團的運動只受已知恆星和星雲的影響。可預測值與觀測結果差了10倍。」

「很可能只有2倍的差別，」McGaugh反駁說。不管怎樣，一旦離開星系領域，MOND理論就不那麼靈光了。

在辯駁過程中，這兩位觀點相左的學者表現得既機敏、風趣，又彬彬有禮。然而，並非所有的時候都是如此和諧。感情用事和劍拔弩張往往夾雜在爭論之中。在許多暗物質理論的擁護者眼中，MOND理論和「地平說」一樣不可接受。顯然，有些人還不知道MOND理論最近在觀測方面獲得的強有力支持。

例如，2012年，McGaugh在《天文學報》上發表論文，闡述了小質量星系也遵循Tully-Fisher關係。這與MOND理論的預言一絲不差。這還是一個全新的、未探索的研究領域；觀測結果無需精確印證理論預測。可更好的是，觀測數據的「彌散度」小到可以忽略不計。對暗物質理論來說，這又是一個需要「仔細調試」的問題了。

緊接著，在2013年，新近發現的仙女座星系矮橢球伴星系，其旋轉曲線也與MOND理論符合得較好。去年的研究表明，盤桓在銀河系盤面上下的恆星，其運動模式與MOND理論的預測一致。對於所有想攻佔該領域的暗物質理論來說，這些觀測結果似乎不那麼好解釋。

綜合這些成果來看，MOND理論很有競爭力，至少在我們周圍的空間中是如此。雖然，暗物質理論的支持者們為了擬合數據可以更自由地調整參數，但在最大尺度上，暗物質理論確實更勝一籌。

與其它旋渦星系一樣，渦狀星系（M51）擁有的引力遠超過自身的可見物質所能提供的（超出約10倍左右）。或者是該星系沉浸在暗物質的包圍中，或者是引力的行為方式與大多數科學家所認 為的不同。（圖片來源：NASA/ESA/S. BECKWITH (STScl)/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScl/AURA)）

這兩派的爭奪戰恐怕還要持續很多年。只有當科學家們真正找到暗物質粒子或者MOND理論得到實測檢驗之後，這場爭論才能塵埃落定。

在定論到來之前，天文學家只能緊盯著夜空不放，一邊展開各種試驗，一邊像81年前的茲威基那樣暗中猜測著是不是宇宙中的大部分物質真的看不見。