空洞中的幽灵

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空洞中的幽灵
 
 
在威尔斯(H.G.Wells)所写古典小说《看不见的人》一书中,一个叫做格里芬的人发现了一种药,吃了以后能使光线穿过身体。当他喝了这种调合剂后,他的身体便隐而不见了,只有穿的衣服能被见着。在午后散步时,他只穿戴了帽子、手套、网球鞋和一副眼镜,这是所有遇到他的人所看到的在街上行走的怪物。但当看到这一奇观时,人们将会很好地做出结论,一个隐身人联系着所有见到的事物,使得它们动起来。
 
但几年以后,出现了一个隐蔽的商品——名为“看不见的狗”——专供那些买不起(或不希望)真的宠物,但仍要享受与它们一起散步的乐趣者使用。有特别设计制作的皮带,用于当狗的“主人”带其散步时上下振动。
 
假定一个明理的成年人看到这样一个“看不见的狗”在街上走,他会不会想到有某些眼睛看不见的东西存在着呢?当然不会。有人看到这样的一个“动物”将假装看不见并藉口讨厌它,但不会得出它真的存在的结论。
 
恒星在星系里运动的方式,星系在星系团内运动的方式,似乎都指出还存在着远远多于眼睛能见到的东西。但拖曳这些可见天体的是些什么东西呢?是不是像威尔斯小说里的隐身人的身体那样,真实的存在着?还是个幻觉,像隐没的“看不见的狗”的形式那样?几乎可以肯定地说是前者。近年来,积累了大量的观测证据,证明暗物质在整个宇宙中非常丰富。
 
近几十年来,科学家们感到恒星和星系运动的状态,不能完全以可见物质的引力作用来说明。早在 30 年代初期,荷兰天文学家奥尔特(Jan Oort)在研究恒星穿越银河系银道面的运动,以便更好地了解它们的动力学时,他测量了恒星距银盘上、下的距离,并计算银盘含有多少质量才能保持恒星在这两个距离来回振荡(就像挂在弹簧下的重物一样上、下振动),因为它们的运动量有赖于银盘中其他部分对其引力吸引。使奥尔特惊奇的是,他发现银盘中需要产生这些影响的物质的总量,至少应 3 倍于可见物质的总和。
 
在奥尔特研究恒星运动时,兹威基也在研究星系团中星系的运动。他分析了后发座星系团中星系的运动情形,求出需要多大的质量来提供引力才不致于使这些星系分散。使他惊奇的是,计算出所需的质量为观测到的质量的 300 倍。由此,他推测后发团中大部分物质是看不见的暗物质。
 
或许,暗物质存在的最有说服力的早期证据,是 70 年代在华盛顿卡内基研究所工作的鲁嫔(Vera Rubin)和她的同事们提供的。他们查看了所谓星系的旋转曲线——星系内恒星与气体的轨道速度与它们距星系中心距离的关系的曲线。

 
 

 
 
 
威尔斯(HerbertGeorgeWells1866—1946),著名科幻小说作家。  
在太阳系,行星的旋转曲线,行星速度与它们与太阳距离的关系的曲线,是由开普勒定律很好地描述的。因为太阳系的大部分质量集中在其中心——即太阳——行星的速度显示出一个随距离而迅速下降的趋势。例如,冥王星绕太阳运动的速度比水星的要慢得多。
 
如果一个旋涡星系,如银河系,其质量是按观测到的星系的物质安排分布的,则将出现类似的旋转曲线的下降,因为星系的大部分质量是集中在核球的,星系晕中的引力要弱得多。所以距星系中心越远,那里恒星的速度将下降得越多——其结果,星系旋转曲线将随距离而骤降。
 
但是,对于银河系、仙女星系和其他旋涡星系来说,上述情况并未出现过。代替随距离下降的,是这些星系的旋转曲线趋于平坦。换句话说,在整个星系晕中的恒星速度保持恒定。这表明,这些星系的质量并不是集中在核球,而是均匀地分布在整个星系中。要使这一情形成为现实,在星系晕中一定要存在着大量的看不见的暗物质。
 
其他有关的研究工作很多,这里不可能一一列举,但这些研究进一步提供的证据说明宇宙中有 90%乃至 99%的物质,是不能用望远镜直接观测到的。看来,暗物质像是被束缚在星系里面的。但观测还证明星系之间的空间内也有暗物质,即使在没有星系的空间,如空洞的内部也有暗物质。因此,空洞也许并不是完全空的洞。
 
由此可见,这是个应冷静思考的问题。经过几个世纪的望远镜观测,宇宙中的物质只有一小部分被描绘出来,这只是天文学家看到的冒出水面的冰山一角。看来,宇宙中的大部分物质将永远隐藏着,只有贫乏的 10%或位于“表面以上的”才能被探测到。
 
统治着宇宙的神秘物质是些什么东西呢?对于它们的性质,近年来有不同的说法。重要的候选者可分为三个主要类别:大质量致密晕天体
 
(MAssive Compact Halo Objects,缩写为 MACHOs),弱相互作用重粒子(Weakly Interacting Massive Particles,缩写为 WIMPs)及有质量的中微子。不论前两类暗物质名称的含义如何,主要的问题是到什么地方能够发现它们。
 
MACHOs 是存在于星系周围区域的致密物体。这些天体不发出可觉察的辐射,只是通过它们与其他实体的引力作用而被间接探测到。第一个被探测出的这类暗物体的例子是 1993 年由三个天文小组发现的:一个叫做 EROS 的法国小组,另一个以波兰科学家为主的叫做 OGLE 的小组,以及由美—澳科学家组成的叫做 MACHO 计划的小组。第三个人数最多的小组由劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的阿尔科克(Charles Alcock)为首,该实验室的贝内特(David Bennett)和加利福尼亚大学圣迪戈分校的格里斯特(Kim Griest)参与领导。他们用位于澳大利亚靠近堪培拉的斯特罗姆洛山天文台的 1.5 米口径望远镜进行工作。
 
各小组都发现了由 MACHOs 对于大麦哲伦云中恒星的引力透镜效应的  
明显的例子。引力透镜是广义相对论性效应,位于地球与远方天体之间的物质畸变了该天体的像。这里再次提醒读者,按照广义相对论,大质量物质能使掠过它附近的光线弯折,并像透镜一样使光线聚焦。在此情况下,一个 MACHO 临时地位于地球与大麦哲伦云中的一颗红巨星之间,临时地集聚起来从该恒星向地球射来的光线。这一被放大了的信号被天文学家们记录了下来,并进行分析。他们用此数据决定 MACHO 的质量和大小。美—澳小组观测到一红巨星的视亮度,在恢复到其原先的光输出水平时其视辐射输出维持了 33 天。在排除了导致这一现象的其他可能原因后,该事件被定为是一个看不见的质量大的天体所导致的引力透镜效应的信号。
 
在 1996 年 1 月美国天文学会举行的学术讨论会上,美—澳合作者们报告了银河系晕的大部分是含有 MACHOs 的有力证据。这一证据来自对 7 个新的大质量晕天体的发现。他们再一次用对大麦哲伦云的引力透镜效应,来确定这些幽灵般天体的性质。
 
这些 MACHOs 的质量从 1/10 太阳质量到 1 个太阳质量不等。因为它们的小而暗的特点,它们中的大多数极可能是白矮星。它们可能和太阳相似,来自主星序晕星,后来用完了它们的大部分核燃料,遗留下的恒星发出的光极弱,所以很难被探测到。
 
某些 MACHOs 也有可能是红矮星和/或褐矮星的。红矮星是非常之冷和放出少量辐射的星。因此,它们难于被直接探测到。褐矮星发出的光线更少,它们是一类不足以开始核聚变的不到临界质量的星,因此它们不燃烧。有些理论工作者建议的其他的 MACHOs 候选者,包括木星大小的行星、中子星及黑洞。有可能 MACHOs 包含它们之中的一些,有可能是全部的混合体— —但大多数是白矮星。
 
科学家们现在相信 MACHOs 差不多占据所有星系内暗物质的一半,甚至一半以上。不幸的是,仍遗留有相当大一部分星系中看不见的物质等待阐明,这里还没有提到宇宙其他部分的大量的暗物质。因此,研究工作者曾建议星系中的其余暗物质是由 WIMPs 组成的。
 
WIMPs 包含形形色色的假想的基本粒子,它们的共同特点是很少与普通物质起作用。这些质点包括轴子(曾在关于早期宇宙的理论中提出来的质点)、超对称粒子(见方框里的说明)和其他种类的奇异亚原子粒子。
 
怎样才能探测到 WIMPs 呢?一些科学家设法在庞大的原子粉碎机内,以超高速对撞普通的粒子,希望在所得不寻常的副产品中出现这些粒子。
 
 

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