10.宇宙的组成

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THE CONTENT OF THE UNIVERSE

我们因为看到苹果从树上掉下来而知道引力的存在。我们可以在日常生活中观察到引力。如果可以把一个苹果扔到宇宙边缘，我们将观察到它在加速。

——亚当·里斯

（ADAM RIESS）

我们的知识永远是有限的，而我们的无知必定是无限的。

——卡尔·波普尔爵士

（SIR KARL POPPER）

本章研究目标

本章内容将涵盖：

· 暗物质在宇宙中存在的证据

· 暗物质的本质

· 存在于宇宙中的暗能量及其本质

· 我们的宇宙的未来命运

我们的宇宙过去的历史和未来的膨胀与它含有的事物有关。如果我们当前的理解是正确的，则控制宇宙的引力场的主要元素是暗物质。暗物质不发光，但直接影响着宇宙的物质来源，因此在恒星和星系结构的形成、宇宙膨胀速度和宇宙的未来命运等方面扮演着重要角色。20世纪30年代，弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky，1898—1974年）发现，根据星系团各发光体的质量之和计算的总质量与根据它们的动力学性质（受到发光与不发光物质的影响）计算的总质量之间存在偏差。为了解释这一偏差，他首先提出了暗物质的概念。兹维基发现，动力学质量总是会存在超过发光体恒星的质量，于是假定存在着一种只有引力贡献而没有发光贡献的物质，人们将其称为暗物质。20世纪60年代，维拉·鲁宾（Vera Rubin，1928—2016年）继续这一研究，她注意到，位于仙女星系（Andromeda galaxy）边缘的恒星的运动速度远远超过了牛顿引力定律的预言，说明存在着一种比恒星本身质量可以解释的更强大的引力。

在将近40年间，人们假定暗物质是构成宇宙的主要成分。1998年，以亚当·G.里斯（Adam G. Riess）和索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）为首的两个天文学家团队各自独立地证明了，通过宇宙膨胀速度（哈勃定律）测量的星系距离持续小于使用一种示距天体测量的“真实”距离，而后一种方法不依赖于有关宇宙动力学的任何模型。为了解释这一偏差并弥合两种独立测量所得距离的不同，他们假定了一个加速宇宙的概念，这个概念中的星系是加速相互离开的。造成这种加速现象的实体被称为暗能量。它创造了一种排斥能量，推动星系相互远离。暗能量的本质至今还是未知的，但人们已经用许多相互独立的科技手段证实了它的存在。

暗物质和暗能量这两种成分加起来占整个宇宙组成的96%，而那些组成了可视宇宙和我们观察到的一切的成分只占其组成的4%。所以，要理解我们的宇宙的演变，就需要获得有关宇宙的组成的详尽知识。迄今为止，我们主要关注宇宙组成中能够被观察到的4%，这与起源问题是如何产生联系的呢？宇宙的组成是形成我们今天观察到的一切的唯一原因——包括星系、恒星、行星以及生命。所以，有关96%的不可见宇宙的知识，将揭示宇宙如何发展到今天的状态，以及它在未来会如何演变的奥秘。

本章将展示暗物质和暗能量存在的观察证据，并研究这两种成分各自的本质，然后探讨我们的宇宙未来的演变以及它的最终命运。

宇宙的组成

现在，独立的测量已经证实了宇宙不同成分的相对分数。尽管天文学家们还没有完全了解这些成分的本质，但他们对于这些相对分数很有把握。今天的宇宙是由71.4%的暗能量、23%的暗物质和组成原子的4.6%的普通物质组成的（图10.1，左图）。正如我们在第9章中所述，在遥远的过去，宇宙主要是由暗物质、光子、原子和中微子组成的，其中暗物质导致了宇宙结构的形成；光子组成了微波背景辐射，我们可以从中得到有关宇宙在退耦和时期的信息；原子构成了我们今天看到的恒星和星系；中微子至今仍然在宇宙中漂泊不定（图10.1，右图）。然而，暗能量只是在最近40亿年间方才崛起，并成为宇宙的主要成分的（图10.1）。

图10.1 组成当前宇宙的不同成分的相对分数（左图）与大爆炸38万年后物质与辐射脱耦时的成分分布（右图）

暗物质

无论是我们自己的星系银河系，还是星系团和超级星系团这些外部系统，天文学家们都已经在多种尺度上发现了暗物质。他们也发现了暗物质在其所在结构中的分数与结构的大小成比例。各种不同的独立观察已经证实了暗物质的存在。

暗物质存在的证据

暗物质存在的最直接证据来自星系最外层的恒星与气体的运动。暗物质的存在是由含气体较多的星系的自转曲线揭示的。星系中的恒星与气体的自旋速度有所改变，这一改变与它们和星系中心之间的距离有关（图10.2）。通过研究星系外层区域的运动并运用牛顿动力学定律，天文学家们测量了从星系的中心起、沿着任何给定半径所形成的球体内物质（包括发光物质和暗物质）的总质量。由于这是以气体动力学为基础的，所以它提供了对于引力的直接测量，从而给出了暗物质和发光物质的预估总数量。对于大部分含有气体的星系来说，自转曲线的外层部分都引人注目地平坦，与按照牛顿力学定律的理论预言偏差颇大。牛顿定律预言，随着半径的增大，自转速度将会迅速下降（图10.2）。这说明星系的外层部分存在着额外（不可见）的物质。对于不含气体的椭圆星系（elliptical galaxies），暗物质的存在是通过测量星系内的恒星的运动确认的。

图10.2 围绕螺旋星系的气体的动力学性质（速度）变化是离中心的距离（自转曲线）的函数。黄色的标记代表星系的发光部分。灰色的标记代表对星系外层部分的观察结果；相比之下，按照牛顿动力学预言的预期关系显示了一条几乎完全平坦的自转曲线（虚线）。观察与预期的自转曲线之间的差别说明了暗物质的存在。星系不可见外层的自转速度通过观察来自电中性的氢发射的无线电波（波长21厘米）得到；这些电波信号是氢原子自旋翻转产生的

插图出处：图10.2: https://en.wikipedia.org/wiki/File:M33_rotation_curve_HI.gif.

暗物质在星系团中存在的主要证据来自对星系围绕星系团中心的转动的测量。使用这种方法，测量的是星系团中的星系的后退速度，这一速度是参与宇宙膨胀的速度分量。将这一部分速度从不同星系的速度中去除，则会得到星系在星系团内部运动的速度分量。天文学家们运用牛顿定律，利用各个星系在星系团中的速度，找出了星系团中的动态物质，包括发光物质和暗物质。与在星系团中各个星系的质量总和相比，他们发现，星系团的质量远远多于发光星系中存在的质量，因此，其中的暗物质必定占更大的比例。

在更大的尺度下，暗物质的存在是通过引力透镜技术证实的。这一技术的基础是时空会在大质量物体的邻域受到扭曲的概念，星系团就是这样一种大质量物体。于是，背景光源发出的光在靠近庞大的天体时产生弯曲，这就是广义相对论预言的结果（图10.3）。这一效应扭曲了背景光源的形象，同时把更多来自天体的光集中到我们的望远镜上（否则这些光不会进入地球和我们的望远镜），从而让天体看上去更加明亮。事实上，前景天体起到了透镜的作用，聚焦了来自背景光源的光，放大了它的光度。出于这一原因，人们称其为“引力透镜”技术。由此，我们可以通过测量来自背景光源的光的路径偏转的程度来估计前景天体的质量。对于像星系团这样的非常庞大的天体，这种技术能够产生背景光源的一个扭曲的像（图10.3）。通过分析这些像，天文学家们可以测量位于观察者和星系团后面的光源的物质的质量，而不必依赖暗物质与发光物质之间的相对质量比率。我们不但能够用引力透镜法测量星系团的质量，还可以测量在我们和遥远的星系之间的任何大尺度结构的质量。

图10.3 来自背景星系的光受到作为前景质量的星系团引力场作用而偏转。星系的形象被扭曲并放大。扭曲的程度取决于干预物质的质量

插图出处：图10.3: http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2000/07/image/c/.

暗物质的本质

暗物质可以分为两类：第一类是普通的暗物质，由质子和中子组成，人称重子物质；第二类是特别黑暗的物质，人称非重子物质。

天文学家们还不知道暗物质的真正本质。看上去其中一小部分是由普通物质组成的，这些物质不会发出多少辐射。这种暗物质大部分是非常昏暗或者死去的恒星，或者未能开始核聚变的恒星，因此没有光源，我们称它们为棕矮星（brown dwarf）。而且，如果木星大小的行星大量存在，它们可能会构成普通暗物质的一大部分。有一种天体叫作大质量致密晕天体（Massive Compact Halo Objects，简称MACHOs），即一种昏暗的红色恒星，它们能够逃过我们的望远镜的检测，很可能是暗物质。它们在我们的星系的晕中大量存在，但数量还不足以解释所有的暗物质。

人们预期，在星系和星系团中的大部分暗物质会是某种离奇的粒子。这些粒子不带电荷，因此不会产生电磁辐射。一个可能成为非重子暗物质的事物是中微子。然而，由于中微子的速度极快，而且难以与其他物体相互作用（它们只通过引力与弱力与物质有作用），所以可以穿过宇宙中的小型结构逃逸。另一个可能是非重子暗物质的事物是弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particles，简称WIMPs），它们能够构成大量的星系和星系团，而不会发射任何电磁波，因为它们基本上不与其他粒子相互作用或交换能量。

暗能量

暗能量是一种神秘的实体，是我们观察到的宇宙膨胀加速的原因。与带有引力、能让物质聚在一起的暗物质不同，暗能量产生的是排斥力，驱使星系分开。考虑到它在宇宙的组成中占据最大分数，暗能量将在很大程度上决定我们的宇宙的未来演变和宇宙的命运。

专题框10.1 如何测量我们与星系之间的距离

暗能量被发现时，天文学家们在测量距离中使用的示距天体是Ⅰa型超新星（第13章）。这些超新星是低质量恒星爆炸后的最终进化产物。它们是非常好的示距天体，原因有二：（1）它们很亮，在很远的距离之外都能被看到；（2）爆炸发生一些天后，当光度达到最高点时，它们几乎都拥有相同的固有光度，而且通常在大约45天后达到这一光度。比较“固定的”峰值固有光度（L）与可以直接测量的超新星的视在光度（l），天文学家们可以估计它们的距离（d），因为光度的减弱与距离的平方的倒数成正比：l=L/d2。

暗能量存在的证据

被叫作暗能量的这种斥力，是人们为研究时空的几何性质而测量遥远星系的距离时第一次发现的（专题框10.1）。有两种独立的方法可以测量我们到同一个星系的距离。一种方法对宇宙的物质组成很敏感，因此也对星系的动态状况敏感，我们用这种方法测量星系的后退速度，接着用哈勃定律计算其距离。另一种方法用一个示距天体（distance indicator）直接测量，因此与星系的动态无关。对于同一个星系，倘若两种独立方法估计的距离不同，这就意味着，如果假定我们与星系之间直接测量的“真实”距离是正确的，则星系的动力学性质（膨胀速度）不遵守线性的哈勃定律。然而事实证明，“真实”距离总是要比通过哈勃定律测得的距离大。要解决这一偏差，我们需要修正哈勃定律，即星系需要比简单的哈勃定律预言的远离速度运动得更快。换言之，星系需要加速远离。

图10.4说明了暗能量的排斥力的效果。图中显示了作为回顾时间（lookback time）函数的上述两种独立测量的距离的不同（图中纵轴）；所谓回顾时间就是从当前到过去的时间，即图中横轴显示的数据。图中给出的模型呈现了一个加速宇宙、一个减速宇宙，还有一个结合了这两个宇宙的假定状况。这些模型的假定以爱因斯坦的广义相对论为基础，在比较观察数据时用超新星作为示距天体（标准烛光，见专题框10.1）（图10.4；实线）。这些观察数据与一种宇宙模型有最佳契合：在遥远的过去，宇宙的膨胀由于暗物质的引力而减速，但在更接近现代的时候，则因为暗能量的作用（图10.4）而加速。与数据取得最佳契合的模型指出了宇宙组成物质的相对百分数：73%的暗能量，23%的暗物质，4%的发光物质。图10.4的横标（红移）也是宇宙年龄的一种测量，即从z=0（当前）到z=2（100亿年前）。最佳契合模型线（图10.4；蓝色线）的斜率变化处的红移（宇宙时间）对应于暗能量代替暗物质占优势的时间，即宇宙从暗物质占据主导地位变为暗能量占据主导地位的时间。这一事件发生于红移约为0.4的时候，对应于42亿年前。作为对照，这是在地球形成的4亿年之后。

图10.4 原恒星的诞生场所是冷气体云。恒星产生的光可以被云吸收或者散射，取决于它的气体和尘埃中包含的物质。云发射长波辐射，但短波辐射（在紫外或蓝光波段）将会在云内散射。这些辐射也会被云内的尘埃吸收并以更长波长（更靠近红端）的低能光子的形式再次发射

插图出处：图10.4: Turner and Huterer, 2007.

暗能量的本质

尽管暗能量在我们的宇宙组成中占优势，但它的本质受到神秘的层层迷雾包裹。它是由负压力造成的，推动宇宙各部分相互远离。在其最简单的形式中，我们可以把暗能量解释为一种真空能量，这是宇宙常数造成的结果（专题框10.2）。在这种情况下，暗能量是在空间均匀分布的，其强度不随宇宙时间变化。所以，要检测暗能量的本质，我们需要测量宇宙的膨胀速率在它的整个生命中随时间的变化。在这里，宇宙膨胀的时间历史中包含着有关暗能量的本质和强度的详细信息。而且，由于暗能量的存在引起的排斥力将对抗结构的生成。这是因为，宇宙的迅速膨胀将抹平任何结构。所以，宇宙中生成结构的时间尺度与暗能量的强度相关。人们还需要做大量的工作来探索暗能量的本质，为研究这个问题，许多天基与地基任务正在展开。

专题框10.2 宇宙常数

当构建广义相对论的场方程时，爱因斯坦在其中引入了宇宙常数。他的理论预言了一个动态宇宙，可能是膨胀的或收缩的。爱因斯坦在其中加入了宇宙常数项，修正了方程的解，允许出现静态宇宙。然而，亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）于1922年得出了爱因斯坦方程的解，其中允许出现一个膨胀的宇宙，接着，埃德温·哈勃于1929年发现了宇宙的膨胀，这时，人们对于宇宙常数的兴趣大减。

宇宙常数也对应于真空能量，其定义为最低的能量结构。另一方面，不确定性原理不允许零能量状态存在，即使在真空中也不可以，这让人们创造了虚拟粒子，它们影响了宇宙动力学。带有排斥力的暗能量的发现重新燃起了人们对于宇宙常数的兴趣，它是这种能量的表现形式。它能产生负压，这可能是宇宙膨胀加速的原因。

宇宙的命运

宇宙的命运是由两个方向相反的力竞争控制的：暗物质的吸引力和暗能量的排斥力。考虑到这些力的不同组合，我们对于宇宙的命运有四种假说（图10.5），叙述如下：

封闭与坍缩的宇宙：一个暗物质占优势的宇宙，其密度高于宇宙的临界值。在未来的某个时间点上，它将因为引力的合力而放慢膨胀速率，并最终停止膨胀。宇宙接着将在引力的作用下自我坍缩，在一次大崩溃中寿终正寝，回到与大爆炸开始时类似的状态（图10.5，左下）。

开放与均匀膨胀的宇宙：这是当宇宙的物质密度刚好等于临界值（专题框9.2）时发生的情况。在这种情况下，吸引与膨胀的各种力将相互抵消，宇宙将永远膨胀（基本上会在时间无穷大时停止膨胀）。这样的宇宙具有平坦的几何特征（图10.5，右上）。

开放与永远膨胀的宇宙：当宇宙中没有或者只有数量少到可以忽略的暗能量，而且其物质密度低于临界值时，宇宙中将没有足够的物质来使其膨胀减速。在这种情况下，宇宙将永远膨胀，其膨胀速率基本不变（图10.5，左上）。

图10.5 图中显示了有关宇宙未来命运的不同假说。观察数据似乎支持加速的宇宙的假说，其膨胀速率将随宇宙时间增加（加速）

加速的宇宙：如果暗能量在宇宙组成中占优势，它产生的排斥力将加快宇宙膨胀的速率。膨胀速率将随着时间增大。在遥远的未来，宇宙中所有结构都将由于这种力而瓦解（图10.5，右下）。

图10.5表明，通过研究宇宙被星系覆盖的空间体积，并研究这一体积随时间的变化，我们可以知道宇宙的几何性质和未来命运的各种可能性。当前的观察与宇宙的加速假设一致。这意味着一个永远膨胀的开放宇宙。最近，来自研究宇宙背景辐射的卫星（WMAP和普朗克）的数据也说明，宇宙的物质密度非常接近临界值，宇宙几乎是平坦的，而且暗能量在宇宙的组成中占据优势。

总结与悬而未决的问题

暗物质在半个多世纪前被发现以来，天文学家们一直在研究它的本质和性质。我们很容易看出为什么这样做很重要，以及为什么他们对这一研究做出了如此重大的资源倾斜。基本上可以说，暗物质是在各种尺度上生成结构的原因，也同时控制着宇宙的膨胀和命运。而且，它为我们提供了一个存在于宇宙学和粒子物理学之间的令人振奋的界面，并告诉我们，有关极小尺度的物理学能够如何控制已知的最大结构。一些天文学家甚至讨论过对牛顿引力加以修正的可能性，来解释暗物质导致的多余引力，但他们并没有发现有效的证据来支持这一想法。可能性比较大的一点是：构成暗物质的是一种混合物，其中包括构成恒星和行星的普通（重子）暗物质和冷暗物质，后者是运动缓慢的冷基本粒子，它们不与物质或者辐射相互作用。冷暗物质假说在解释观察到的结构方面取得了成功。这些结构是从小的系统向大的系统成长的，即从低质量的矮星系向高质量的巨星系和星系团成长的。

暗能量的发现是当代物理学最伟大的成就之一。暗能量是比暗物质更为神秘的一种实体，具有与后者相反的效应，即将星系彼此推开。这与负压力类似，理论上与宇宙常数具有同样的效果——宇宙常数是爱因斯坦在他的广义相对论方程中加入的一项，用以抵消宇宙的膨胀。人们尚不清楚暗能量的真正本质。观察结果证实，100亿年前，暗物质在宇宙组成中占优势，但在42亿年前发生了变化，暗能量转而占据优势（图10.4）（作为比较，地球的年龄是46亿岁）。从那时起，暗能量的强度便随宇宙时间增加，并控制了宇宙的动力学状态。

今天，宇宙组成的71.4%是暗能量，24%是暗物质，只有4.6%是构成我们身边一切事物的普通物质。暗物质和暗能量的相对分数控制了我们的宇宙的未来演变。考虑到暗能量的重大优势，人们现在认为宇宙将持续加速膨胀。这意味着当前的宇宙膨胀将永远继续下去。

暗物质与暗能量的本质向物理学、天文学和宇宙学提出了一些最严峻的挑战。暗物质和暗能量的本质是什么？它们是如何影响我们的宇宙的最终命运的？暗能量的强度是如何随着宇宙时间变化的？暗能量在宇宙中的分布是各向同性（即与方向无关）的吗？宇宙学常数扮演了何种角色？这些是今天的宇宙学中最基本的一些问题。

回顾复习问题

1. 暗物质、暗能量和普通物质在宇宙中的相对分数各是多少？

2. 解释暗物质存在的证据。

3. 暗物质可能是由哪些东西构成的？

4. 描述检测暗物质的方法。

5. 有哪些观察证据能够说明暗能量的存在？

6. 解释暗能量的主要特征，以及它可能会如何影响我们的宇宙的未来命运。

7. 构成暗能量的事物可能是什么？

8. 简要解释测量星系距离的方法。

9. 暗物质和暗能量在宇宙中的相对分数是如何测量的？

10. 暗能量是在宇宙历史的哪个时期开始占有优势地位的？这一时间是怎样估计的？

参考文献

Bennett, J., M. Donahue, N. Schneider, and M. Voit. 2007. The Cosmic Perspective. 4th ed. Boston: Pearson/ Addison-Wesley.

Schneider, S.E., and T.T. Arny. 2015. Pathways to Astronomy. 4th ed. New York: McGraW-Hill.