推薦 | 宇宙之美

xirsh 2017-12-07

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這幾天所有媒體都被一條新聞刷屏：我國第一顆暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空號”，闊別兩年，終于取回“真經(jīng)”！

拋開如同“無字真經(jīng)”的天文術(shù)語，所有報道都把“悟空號”此次發(fā)現(xiàn)的最佳驚喜獎頒發(fā)給了下面這條新聞：

“悟空號的電子宇宙射線能量測量范圍，比起國外的空間探測設(shè)備有顯著提高，拓展了人類觀察宇宙的窗口。”

此外，悟空號測量到的TeV電子的“純凈”程度最高——也就是其中混入的質(zhì)子數(shù)量最少，能譜的準確性高。

來看對比（有圖有真相）——

悟空號工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜（紅色數(shù)據(jù)點），以及和美國費米衛(wèi)星測量結(jié)果（藍點）、丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀的測量結(jié)果（綠點）的比較。（圖片來源于中國科學(xué)院）

一時間，“悟空號”激起了全中國人民對于“暗物質(zhì)”，甚至天文學(xué)的無限好奇。

什么是暗物質(zhì)？暗物質(zhì)是做什么用的？暗物質(zhì)怎么來的？等等等等……

別著急，與“暗物質(zhì)”關(guān)聯(lián)最緊密的5件事情已經(jīng)為你梳理好了。

1. 暗物質(zhì)粒子

量子真空中有構(gòu)成暗物質(zhì)的大質(zhì)量粒子。通過位于日內(nèi)瓦的大型強子對撞機（LHC），我們可實現(xiàn)質(zhì)子對撞，還原早期宇宙的能量密度，重新制造出暗物質(zhì)粒子。

從量子力學(xué)的角度來看，暴脹結(jié)束前，量子真空里只有虛粒子不斷產(chǎn)生和湮滅。暴脹為宇宙帶來非常大的能量，量子真空中的虛粒子和它們的反粒子隨之出現(xiàn)，并立刻卷入劇烈的湮滅和物質(zhì)化過程。

這些真空中的粒子，當然有些是標準模型所描述的構(gòu)成恒星和人等物質(zhì)的基本粒子，但也有些是構(gòu)成“暗”物質(zhì)的粒子（或許說“不可見”更準確）。暗物質(zhì)在宇宙中最多，負責(zé)維系大尺度結(jié)構(gòu)，所以它應(yīng)該由大質(zhì)量粒子構(gòu)成，對電磁相互作用毫無反應(yīng)（否則它或許就不是不可見的了），也不受制于強相互作用（否則原子核會超重）。

標準模型中的粒子沒有一個能滿足這些條件，因此產(chǎn)生了一些理論猜測。超對稱理論是最有可能的理論，它認為標準模型中的每個粒子都有一個體積更大的伙伴。其中，中性微子是中性的，質(zhì)量大且穩(wěn)定，是最有可能組成暗物質(zhì)的粒子。粒子物理學(xué)家利用世界上最先進的對撞機—LHC進行研究，并于2012 年宣布發(fā)現(xiàn)標準模型的基石—希格斯玻色子。將LHC改善之后，他們會探測到暗物質(zhì)粒子嗎？讓我們拭目以待……

選自《宇宙之美》。照片攝于2005 年，是從超環(huán)面儀器（ATLAS）探測器的角度看到的LHC，與前方物理學(xué)家的對比可以讓我們清楚它的大小。LHC 于2015 年開啟第二階段運行，希望通過（目前尚未達到的）高能量加對撞質(zhì)子，在ATLAS 中創(chuàng)造出與暴脹后的早期宇宙相當?shù)哪芰棵芏取?/span>

2. 暴脹

美國宇宙學(xué)家阿蘭·古斯（Alan Guth）于1980年提出，早期宇宙可能經(jīng)歷過一個非?？焖俚呐蛎洉r期，發(fā)生極度擴張，因此可觀測宇宙具有顯著的均勻、各向同性和平坦的特征。

從20 世紀60 年代起，宇宙學(xué)家確定了可觀測宇宙有三個特性：均勻（在大尺度上，各處的物質(zhì)密度相同）、各向同性（所有方向上看起來都相同）、平坦（三角形的三角之和為180°，宇宙若是像球面一樣彎曲則不會如此）。為使這三個特性符合大爆炸理論框架，須假設(shè)在普朗克期剛結(jié)束之后，宇宙在各個方向上瞬間膨脹（至少增加了1026 倍，可能更高）。由于暴脹，早期極小的（所以是均勻的）宇宙極度擴張，遠遠大過可觀測到的宇宙，所以可觀測到的宇宙也就成了均勻的了。這種暴脹還將空間無限展平，抹平了所有不規(guī)則性。在此極小區(qū)域，微小量子漲落在暴脹之后被放大到宇宙尺度，而這導(dǎo)致了日后宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成。

若要發(fā)生暴脹，則早期宇宙需要類似暗能量的力量，能使其加速膨脹。發(fā)現(xiàn)于20 世紀的宇宙加速膨脹，可能也是由這種力量推動的。早期宇宙的能量密度非常大，使其加速膨脹的力量會隨即分崩離析，變成粒子，這也標志著暴脹的結(jié)束和物質(zhì)的誕生。

選自《宇宙之美》。暴脹使宇宙變平，正如把一個起初很皺的氣球吹到地球那么大，就會發(fā)現(xiàn)它的曲率接近于零，而站在地球表面看，地球就像是平的。

3. 重子物質(zhì)

宇宙冷卻到一定程度后，夸克、反夸克和膠子結(jié)合形成質(zhì)子、中子以及質(zhì)子、中子的反粒子。（正）粒子的微量剩余促使這些構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子形成我們所熟悉的環(huán)境。

宇宙大爆炸后一百萬分之一秒，宇宙溫度下降，重子不再維持“夸克- 膠子等離子體”形態(tài)。如前所述，強力使夸克結(jié)合形成復(fù)合粒子—介子和重子，其中重子由三個夸克形成。最為人熟知的重子是質(zhì)子和中子，它們構(gòu)成了宇宙中感官可察知的一切（不同于暗物質(zhì)）。由于上述過程中也形成了反重子，因而隨后出現(xiàn)一個劇烈的湮滅階段。一個粒子（如質(zhì)子）與其反粒子（反質(zhì)子）相遇會成對湮滅，并產(chǎn)生兩個高能光子。而當光子能量足夠高時，則會出現(xiàn)逆向反應(yīng)，如高能光子可生成一對質(zhì)子和反質(zhì)子，彌補湮滅損失。由于宇宙膨脹降低了光子的平均能量，而湮滅仍以驚人的速度繼續(xù)，因此粒子與反粒子對的形成少于湮滅。如果物理定律中的不對稱性（目前尚未得到解釋）沒有打破原始湯的平衡，則重子最終將湮滅殆盡。而事實上，每十億零一個夸克僅對應(yīng)十億個反夸克。湮滅階段結(jié)束時，出現(xiàn)微弱的不平衡：反重子全部消失，僅有最初數(shù)量十億分之一的重子保留下來。在隨后不久的一個類似進程中，反物質(zhì)消失。宇宙大爆炸后1 秒，光子能量下降，低于形成電子對的閾值，使正電子徹底消失，僅留下少許電子。

選自《宇宙之美》。可觀測宇宙的概貌如同18世紀畫家讓- 西美翁·夏爾丹（Jean-SiméonChardin）所作的靜物畫：綠頭鴨和酸橙。此畫收藏于巴黎狩獵和自然博物館。

4. 大尺度結(jié)構(gòu)

從宇宙微波背景輻射中可推斷出原初密度擾動。通過數(shù)值模擬，我們可了解到原初密度擾動如何演化出宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)。這種大尺度結(jié)構(gòu)與科學(xué)觀測結(jié)果幾近吻合。

大部分宇宙學(xué)家認為，宇宙從復(fù)合時期到大尺度結(jié)構(gòu)形成再到如今，這整個變化過程都是在一個宇宙空間中進行的。在這個空間中，速度比光速慢的大質(zhì)量粒子組成的暗物質(zhì)占大多數(shù)，此外還有少量的重子物質(zhì)。

日益先進的數(shù)值模擬技術(shù)為這個被稱為“冷暗物質(zhì)”（因暗物質(zhì)粒子移動速度慢而得名）的模型提供了有力證據(jù)。若想演繹一個物理系統(tǒng)的發(fā)展過程，就必須了解其初始狀態(tài)和終了狀態(tài)，正如我們所探究的宇宙，我們需要知道它的復(fù)合時期狀態(tài)和如今的狀態(tài)。探究初始狀態(tài)，只需觀測宇宙微波背景；而探究終了狀態(tài)，大型巡天會為我們提供幫助。

借助室女座聯(lián)盟（Virgo consortium）等組織用全球最強計算機進行的數(shù)值模擬，宇宙學(xué)家可以描繪出宇宙的快速發(fā)展過程：從復(fù)合時期的微小密度擾動，到130多億年后，物質(zhì)集中形成星團，星團又組成星系，散布于存在巨大空洞的“宇宙網(wǎng)”的節(jié)點上，變成現(xiàn)在的樣子。這些模擬實驗通過對冷暗物質(zhì)最真實的還原，表明在1億年間，最早形成的結(jié)構(gòu)是質(zhì)量為100 萬倍太陽質(zhì)量的天體，而后這些天體經(jīng)過不斷聚變形成星系，其典型質(zhì)量為1000億倍太陽質(zhì)量。

選自《宇宙之美》。2005 年，室女座聯(lián)盟模擬出一個宇宙三維空間的終了狀態(tài)，此三維空間每邊長度為20 億光年。室女座聯(lián)盟的宇宙學(xué)家歷時一個多月，用超級計算機重建了浩瀚宇宙中散布的2000 多萬個星系的發(fā)展過程。

5. 暗能量

暴脹時期過后，宇宙膨脹速度放慢，而后在暗能量日漸增大的作用下，膨脹加速?？茖W(xué)家通過對特定類型的遙遠超新星的研究，證明了神秘的暗能量的存在。

測量天體距離對于天文學(xué)家而言是長期挑戰(zhàn)。天體的亮度與其距離的平方成反比，因而僅需知道某個天體的絕對亮度（即天體輻射的能量數(shù)值），就可以據(jù)此估算出這個天體的距離。這就是所謂的“標準燭光”法。而對于宇宙中的遙遠天體，我們傾向于通過紅移值來確定這個天體在給定宇宙模型內(nèi)的距離。

科學(xué)家結(jié)合這兩種方法可以構(gòu)建更加合理的宇宙模型。此外，還應(yīng)采用足夠亮的標準燭光，以確保在最遙遠處仍有一定的可見度。Ia 型超新星正是這一情況：相同質(zhì)量的恒星因熱核燃燒引起恒星爆發(fā)，這種爆發(fā)釋放出非常耀眼的光亮。通過對若干最遙遠Ia 型超新星的深入研究，兩支國際天體物理學(xué)家團隊均認為，Ia 型超新星比預(yù)測得更加遙遠，這證明宇宙膨脹正在加速！索爾 · 珀爾馬特（SaulPerlmutter）、布萊恩 · 施密特（Brian Schmidt）和亞當 · 里斯（Adam Riess）因這一重大發(fā)現(xiàn)獲得2011 年諾貝爾物理學(xué)獎。

宇宙如果僅受到其內(nèi)物質(zhì)（暗物質(zhì)與重子物質(zhì)）的引力作用，則膨脹減緩不可避免。因此，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，宇宙應(yīng)是受到某種作用力（暗能量）的支配，扭轉(zhuǎn)了其膨脹減慢的趨勢。由于宇宙膨脹，物質(zhì)的密度隨時間而變小，而暗能量的密度卻可保持不變。這也是在大爆炸90 億年后，暗能量能成為宇宙的主要構(gòu)成，且宇宙膨脹再次加速的原因。