大爆炸-宇宙通史-第7部分
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通过多普勒效应，我们已经测量出很多星系的旋转。如果一个旋涡星系正在旋转，那么在一侧的所有物质将朝向我们运动，而另一侧的所有物质将远离我们（当然要排除星系自身的整体运动）。这种运动将表现在谱线的位置上，所以可以据此测量出旋转的速率。而星系旋转的一个奇怪的特征还具有更深刻的意义。
神秘的暗物质
在我们太阳系中，行星绕日公转的速度随着它们到太阳距离的增加而减少，因为离太阳越远，引力越弱。顺理成章地，同样的规律也应该体现在旋转的星系上。靠近中心的星的运动应该比远离中心的星的运动快得多。然而天文学家惊奇地发现，不是这么回事。远处恒星的宇宙年比预计的要短，所以旋臂不会很快地卷绕起来。星系的情况似乎介于太阳系和一个刚体之间。刚体的情况像一个旋转的自行车轮子，在车轴附近的一块泥点的移动比在车圈上的移动慢得多，但两者用同样的时间走完一周。
如果星系里的恒星像行星环绕太阳那样简单地围绕着一个中心质量旋转，就无法解释这种奇怪的现象。唯一可能的答案是这个系统的质量并不是集中在中心或中心附近，而是分布在整个星系盘和星系的外侧。最有可能的解释是存在分布在整个星系晕内的暗物质。暗物质完全不可见，只有万有引力才能泄露它们的所在。
暗物质是否就是普通的物质？比如大量非常暗弱的低质量恒星，除非它们按照宇宙标准来看聚集得很近，否则我们将无法看到。当然恒星的数量是很多的，最新的估计是在可视宇宙中恒星的总数达到7×1022个，但似乎它们的总质量也无法与暗物质总量相匹配。
这些质量是否有可能被禁锢在黑洞中了？我们可以计算现已掌握的这类质量，发现还是远远对不上。史蒂芬·霍金曾预言存在地球质量级别的黑洞，但还从未发现过。曾经看起来更有希望的一种方案涉及中微子没有电荷的快速粒子；不易检测但数量极其丰富，在驱动恒星的反应中大量产生。每秒钟有数千个中微子穿过我们的身体，如果中微子具有一点质量，那么就可以为暗物质提供一种解释。与几年前相比，现在我们对此有了更深入的了解：尽管中微子不是完全没有质量，但它的质量远不够解决这一问题。
我们还剩下两种选择。一是暗物质可能是由现在还未知的基本粒子构成，每个质量很小，但数量足够多，可以解释这种差异。这种假设的粒子叫做弱相互作用重粒子，即WIMP。而粒子物理学已经对它们应该是什么样子给出了具体的预言。另一种解释是暗物质由普通物质构成，以暗弱而大质量天体的形式存在，例如行星，或棕矮星一类的小恒星。对这类称为大质量致密晕族天体，即MACHO的探测已经在进行，据信它们潜伏在大质量星系的星系晕中。探测已经取得了一些积极的结果，现在我们在等待发现一个经过的WIMP。然而事情并未就此完结。
为什么有暗能量
根据最新的估计，可视宇宙即我们可以看到的所有的东西：星系，恒星，行星等仅占宇宙中能量的4％，另有23％是以暗物质的形式存在。而剩余的73％要归于所谓的“暗能量”。
直到宇宙史上的这个阶段大爆炸后约70亿年时，在引力的影响下膨胀变慢了。引力是唯一能在天文距离上造成显着差别的力，而且这是一种将物质拉到一起的吸引力。我们或许可以预料，引力的强度将决定宇宙的终极命运。
在我们讨论的这个时代，宇宙在膨胀。而且直到今天它仍在膨胀。但是这个膨胀会永远持续下去吗？还是说在至少800亿年后星系会掉转头来再次冲到一起形成一次大坍塌？所有这些都取决于宇宙中物质的平均密度，用希腊字母 表示。如果 大于1，引力占据上风，在时间终结之时会有一次大坍塌；如果 等于1，那么膨胀会逐渐减慢但永远不会完全停止，这被称为一个平坦的宇宙。如果 低于这个临界值，膨胀将变慢，但将一直持续下去。在讨论暴胀时说过，我们掌握的证据似乎说明宇宙是平坦的。但是对一种特殊类型的超新星：Ia型超新星的观测提醒我们，事情可能复杂得多。
让我们通过这些超新星回顾一下位于大爆炸和今天的中间点的关键时代。为什么这种类型的爆炸如此特别？因为这些爆炸的极大光度即内禀亮度都是相同的，所以可以作为标准烛光使用，让我们能够测量距离。我们将超新星爆炸时在天空中的视亮度和它的内禀亮度相比较，其差值就表示距离有多远。看起来更亮的超新星一定是距离我们更近。
为什么这些超新星都具有相同的内禀亮度？据认为这类超新星产生于一颗普通恒星的白矮星伴星的彻底毁灭。较小而致密的矮星从它的较大的伙伴那里吸积了过多的物质，最终它自身变得不稳定。这颗矮星在一次巨大的热核爆炸中把自己炸成了碎片。由于这种爆炸总是发生在同样的临界质量下，爆炸的光度在每种情况下都是一样的。
我们有两种方法计算包含超新星的星系的距离：通过谱线的红移和超新星的峰值光度。但在什么地方出了问题，使得超新星看上去比它们本应具有的亮度要暗，所以似乎比预计的遥远。这也正是天文学家们期待的最后一件事情。只有一种可能的解释，现在宇宙膨胀的速度一定比以前要快。宇宙的膨胀正在加速而非减速，这种使宇宙膨胀加速的能量我们称之为暗能量。
第五种力
这是怎么回事？在整个物理学史上，有四种力被认为是足以解释物质之间的所有可能的相互作用：电磁力（造成异性电荷之间的吸引力）、强核力（将原子核约束在一起）、弱核力（造成放射性衰变）和引力（在整个宇宙范围内起作用的吸引力）。引力是四种力中最弱的，但在天文学家们关心的领域里它是最重要的。因为这是唯一在很远的距离上仍起作用的力（虽然电磁力也能产生长程作用，但因为物质平均起来是电中性的，所以这种力被抵消了）。而一个加速中的宇宙需要一种先前未曾显示出效应的第五种力。
对于起这种作用的力已经有了许多理论性的假设，基本上大多数都是才一提出即遭抛弃。它把我们带入了奇异的真空力和虚粒子的世界。我们自然而然地把真空想象成不存在任何物质的地方，但是量子物理学告诉我们，这种想法过于简单了。任何真空都充满了沸腾起伏的大量的“虚粒子”。它们总是以粒子和反粒子的形式成对出现。这些带有相反电荷的虚粒子在互相碰撞湮灭之前只能存在不到10…43秒的短暂时间。这一过程可以描述为真空首先借来用以产生粒子的能量，然后在宇宙的其他部分觉察到之前，通过湮灭将能量返还。但在虚粒子短暂的存在期内对其周围却会产生影响。实际上在实验室中发现在某些情况下它们会产生斥力。这可能正是我们寻找的东西。而且，真空的体积越大，力就越强。所以我们预计随着宇宙的膨胀力会变大恰如我们观测到的。
宇宙剪切
暗能量存在的进一步证据来自意想不到的一个方面。通过观察几十万个星爱因斯坦在黑板前。1923年12月6日系的形状，天文学家能够测量出自光线从每个星系发出后宇宙的膨胀。这种方于荷兰莱顿。法被叫做宇宙剪切，它依赖于光线路经质量时产生的弯曲。这种效应最壮观的例子是爱因斯坦环。来自遥远星系的光在从近邻系统的旁边经过时被严重扭曲，扩散成一个环形。近邻的系统位于中心。星系的图像也常常被扭曲和拉伸成弧状。除了这些极端的例子，我们看到的每个星系的图像都存在某种程度的畸变，畸变的大小反映出光线在到达观测者之前经过的质量总量。对大多数星系而言这种效应很微弱，只表现为星系在天空中位置上的小小偏移。这就存在一个问题，我们只能看到星系发生偏移后的景象，而要测量出途经的质量及计算出膨胀的大小，我们需要与一个从星系发出后未经任何畸变的光线作比较。对任何特定的星系，这都是不可能的。然而通过天文学家设计的对庞大数量星系的巡查，可以对很多星系作统计平均来提取出这类信息。其结论是明白无误的：光线从星系到我们之间所走过的路径需要用一个加速的膨胀来解释。
不过这里又冒出一个漏洞。在发现宇宙加速膨胀之前，粒子物理学家们找到了一大堆理由来解释由他们的许多理论所预言的这种效应为什么在宇宙中没有表现出来。实际上我们处于这样一种境地，就是能够解释为什么要么根本没有互斥力，要么存在一种极强的排斥效应。不幸的是，我们观测到的只是一种非常弱的力（尽管在宇宙范围内累积起来这种效应非常显着），而且与预言差距甚大。实际上，天文观测结果与最好的理论模型之间的差别高达10120倍。这是有史以来在科学上理论和实验之间最大的误差。但是，这就是我们已知的最佳解释。
而情况可能更为复杂。我们曾假设互斥力是不随时间变化的，这个假设只是出于不要把事情弄复杂的愿望，而无其他确实的理由。（要知道科学家们常常引用奥卡姆的剃刀原则：当其他方面都相同时，最简单的方案就是正确的方案。）有些宇宙学家则相信，造成加速的力的强度的确随时间变化。
这些问题即将开始解决。今后20年中的进一步观测已经计划好。不过公平地说，在很大程度上我们还在黑暗中摸索。
第四章 恒星与行星 大爆炸后90亿～92亿年
章序
在前面的章节中，我们看到宇宙被第一代恒星所点亮，以及星系的形成。现在，当大爆炸过去90亿年时，宇宙看上去很像我们现在所见到的周围的情况，星系中充满了第二代恒星。现在到了仔细谈论恒星演化的时候了。我们已经对第一代恒星作了一些介绍，但对它们实际的形成过程一带而过，因为当时关注那些能够延展到整个宇宙间的效应。我们知道它们会在耀眼的闪光中结束自己短暂的生命，它们的超新星爆炸将重元素撒向四方。另外，还有一个极为重要的效应，爆炸形成的冲击波将激发新恒星在周围气体云中的形成。
很长时间里类星体都是最显着的天体。它们中心的黑洞吞噬着其所能够得到的巨量的气体和尘埃，释放出庞大的能量。当这些尘埃和气体消耗殆尽后，类星体暗淡下去，宇宙里剩下大量的“正常”星系。50亿年前，气体转化成恒星的速率加快了，宇宙变得更加明亮。后来，40亿到50亿年期间，燃料开始耗尽，垂死的恒星超过了正在诞生的恒星。同时，就在这一时段，在一个不起眼的旋涡星系中，我们的太阳开始形成。下面让我们仔细地探查一下恒星形成的过程。
恒星的诞生
恒星在星系中的形成并不是均匀地发生的，周围物质的条件会对收缩产生影响。像我们自己的星系的旋臂就是一个很好的例子。对任何旋涡星系的光学照片一眼看去就能发现，旋臂上的恒星趋向于蓝色，而核球处的则呈黄色。以宇宙标准来看，旋臂上的炽热大质量蓝星寿命是较短的，只能维持几千万年。这意味着无论我们在何处看到了蓝色恒星，就可以确定这片区域内的恒星是在相对较近的时期内形成的。所以可以得出结论，在旋涡星系中恒星的形成集中在旋臂上。
包括太阳在内的所有恒星都是在巨大的恒星孕育区内形成的，我们称之为星云，可看作是气体和尘埃的仓库。在星云之内，充满宇宙其他地方的强烈辐射被挡在外面，故而物质能够冷却到非常低的温度，而如何达到这点对于整个恒星形成过程是非常关键的。最初，冷却是由于氢分子能够向外辐射出能量，能量的流失冷却了云气，温度降了下来。其后这项工作由碳或氧原子更加高效地完成了。在这一气体区域中，由引力作用造成的收缩与粒子的随机运动相对抗，如果这些粒子运动很快，就可以克服引力带来的紧缩，这个气团就永远不会收缩到形成恒星的程度。对恒星生成区的现代观测表明，这是一个持续进行的过程，气团不断地形成和消散着。
不过请记住，粒子的速度由温度决定。温度越低，粒子运动得就越慢。如果气体能足够冷却，引力就会赢得这场较量，冷却的气体团会趋于收缩。
一旦收缩达到某一程度就不可能逆转，一个原恒星的核心就会形成。这样的核心包含大量的、天文学家称之为“尘埃”的小粒子。它们像沙粒一般大小，主要是碳和硅的化合物。正是这些尘埃使得对恒星形成的研究非常困难，尤其是在光学波段。因为可见光几乎完全被尘埃所阻挡。对于稍热的尘埃区域，红外观测非常有用。但是，在恒星形成的早期阶段，温度可能低至10K，这时甚至红外波也无能为力。要观测这种宇宙间最冷的地方，我们必须转到亚毫米波。
星云内的温度是如此之低，以至气体凝固在尘埃上。气体主要是氢，也有简单的化合物，例如一氧化碳。每类分子都形成一个冰层。不过最近的研究表明这种层次结构可能过于简化了，冰是由不同分子混合而成。
气体在很低的温度下运动很慢，再加上难以想象的低密度，分子之间的碰撞相当稀少，即便发生，能量也很低。值得注意的是，天文学家所称的“比较致密的云团”，若是在地球上的实验室中我们会认为那是极好的真空。所以，相对只有很少的化学反应发生。
而当分子凝结在尘埃颗粒的表面后，情况就大不相同。分子被紧靠在一起，而且有人猜测分子或原子（特别是像氢一样的轻原子）可能会自然而然地沿着颗粒表面四处移动。这样当分子相遇时，化学反应就会迅速发生。所以包含十个甚至更多原子的相当复杂的分子就可以构成。但所有这些对天文学家而言是不可见的。这个过程很重要，因为这意味着复杂分子的产生是恒星形成过程的自然结果，而当行星从剩余的残块中产生时，这些物质已经存在了。
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