操控宇宙的幕後黑手 http://www.sciam.com.tw/read/readshow.asp?FDocNo=979&CL=4 暗能量不仅驱赶着宇宙膨胀，星系形状与星系间的距离也控制在它的手里。 撰文╱康塞利斯（Christopher J. Conselice） 翻译／李沃龙 直到1998年，天文学家才发现，原来我们一直忽略了占整个宇宙将近3/4的成份，也就是 暗能量。为何花了这麽久的时间呢？这是一种未知的能量型态，环绕在周遭环境里，一直 轻轻地拉扯着我们，并且掌握了宇宙的命运，但我们却浑然不觉它的存在。虽然，有些研 究者早就预期到这种能量的存在了，但就算是他们也会告诉你，侦测到暗能量可以算是20 世纪宇宙学最具革命性的发现之一。如果暗能量不仅是宇宙的主要成份，在时间的淬链下 还能历久不衰，那麽我们恐怕必须发展出新的物理理论，才能够解释它的存在。 要了解暗能量的本质与其意涵，还有很长的路要走，而科学家才刚启程；不过有件事我们 已经知道了：虽说暗能量的发现，是因为其对宇宙整体所造成的效应，但它很可能也形塑 了恒星、星系与星系团等宇宙居民的演化样貌，也就是说，天文学家数十年来可能一直注 视着它的杰作，却丝毫未曾察觉到它。 讽刺的是，暗能量如此难以发现的原因，正是它无所不在。暗能量与物质不同，它不会在 空间中某处群聚成团，而是依据其特有的性质，均匀的四处散布。在任何地方，不论是你 家的厨房里，或者星系际空间，它都具有相同的密度，约每立方公尺10-26公斤，相当於 一把氢原子的质量。太阳系内所有的暗能量加总起来，质量约等於一颗小型的小行星，所 以在行星的运行中，它根本是个微不足道的角色。只有当我们把眼光放远到广阔的时空尺 度上，暗能量的效应才会凸显出来。 从美国天文学家哈伯（Edwin Hubble）那个时代开始，观测者就已知道，除了少数最靠近 我们的星系外，大多数星系都以很高的速率在远离我们，这个速率与距离成正比：离我们 越远的星系，就後退得越快速。这样的模式表示，星系的移动并非如我们平日在空间中移 动物体那样直观，还要考虑空间本身结构正在扩展而产生的影响（参见2005年4月号〈你 也误会了大霹雳？〉）。数十年来，天文学家殚精竭虑地想解答下一个随之而来的问题： 这膨胀速率会随着时间如何改变呢？他们认为星系间彼此向内拉的万有引力可以克服向外 膨胀的效应，宇宙的膨胀速率应该会逐渐慢下来。 关於膨胀速率的变化，第一个明确的观测证据来自遥远的超新星，就像盯着浮木可让我们 测量河水的流速一样，这种大型恒星的剧烈爆发，可以用来做为观察宇宙膨胀的标示。观 测结果清楚显示，现在的膨胀速率比以前快，所以宇宙正在加速膨胀；更确切的说，宇宙 的膨胀确实曾经一度变慢，但在某个时刻经历一段过渡期後，便开始加速了（参见延伸阅 读1与2004年3月号〈从减速到加速〉）。这个引人注目的结果，也已经与其他关於宇宙微 波背景辐射的个别研究交叉检验过了，其中有些研究资料来自威金森微波异向性探测器（ WMAP）。 有个可能的推论是，在星系以上的大小尺度与较小的尺度上，重力定律并不相同，所以实 际上星系的重力并无法抵抗膨胀。但更广为学者接受的说法是，重力定律仍普遍适用，不 过有某种科学界前所未知的能量型态，足以反抗并压制星系间的相互吸引力，促使它们更 快速地分离，虽说在我们星系里的暗能量无足轻重（更别提在你家厨房里的了），但在宇 宙中加总起来，却是最强大的力量。 宇宙的雕塑家 当天文学家探索这个新现象时，他们发现暗能量除了决定宇宙整体的膨胀速率之外，在较 小的尺度上也具有长期的效应。当你把对宇宙的观测范围缩小时，第一个会注意到的现象 是，在宇宙尺度下，物质的分布就像张蜘蛛网一样——由数千万光年长的细丝编织而成的 网状结构，中间穿插着一些大小相仿的网洞。电脑数值模拟显示，要能解释这样的图形， 必须同时具备物质与暗能量。 这可不是什麽大不了的发现。这些细丝与网洞并不是行星那种有着紧密结构的物体，它们 尚未从宇宙整体的膨胀中分离出来，其内部也还没达到力的平衡，因此，它们的样貌取决 於宇宙膨胀（以及一切会影响膨胀的现象）和其本身重力的竞争。在宇宙中没有任何一方 能够完全主宰这场拔河比赛：如果暗能量稍强一些，膨胀将会获得胜利，使得物质扩张而 无法凝聚成细丝状结构；假如暗能量稍弱一点，物质将会比现在更加凝聚在一起。 当你继续把范围缩小到星系团与星系的尺度时，情况会变得更复杂。包括我们银河系在内 的所有星系，并不会随着时间而膨胀，它们的大小取决於恒星、气体和其他组成物质的角 动量与重力间的平衡；只有从星系际空间吸积新物质，或与其他星系合并时才会成长。宇 宙膨胀对於星系成长的影响微乎其微，因此，暗能量对於星系的形成，效应并不是那麽明 确。 同样的道理也适用於星系团，星系团是数千个星系的集合，因重力而束缚在一起，藏身於 庞大的热气体云内，是宇宙里最大的聚合体。就在不久之前，许多有关星系与星系团形成 的观点还看似和暗能量毫不相干；但现在看来，暗能量可能是连结这些不同观点的关键。 因为这些系统的形成与演化，有部份是源自星系间的交互作用与合并，而这很可能正是由 暗能量所主导。 要了解暗能量如何影响星系的形成，得先知道天文学家认为星系是如何形成的。目前的理 论所根据的观念是物质有两种基本型态：第一种是普通物质，这种物质的粒子可以轻易的 互相作用，假如带电的话，还会与电磁辐射作用，由於它们主要是由质子与中子这样的重 子所组成，天文学家便称它们为「重子物质」；第二种是暗物质（与暗能量截然不同）， 占了所有物质总量的85%，特色是其组成粒子不会与辐射作用；但就重力的观点而言，暗 物质与普通物质的特性完全相同。 依据理论模型，暗物质在大霹雳後就立即开始聚集，形成天文学家称为「晕」的球状团块 。相反地，重子则因为粒子间以及辐射的作用，起初并不会聚集成团，仍保持在高热的气 体状态，随着宇宙膨胀，气体温度下降，才能够聚集。第一代恒星与星系就是在大霹雳数 亿年後，由这样的冷却气体聚集而形成，它们的形成位置并不是随意散布在空间里，而是 集中在早已成形的暗物质晕的中心区域。 自1980年代起，有些理论学家便以详细的电脑模拟来探究这个过程，包括德国甲庆的马克 士普朗克天文物理研究所怀特（Simon D. M. White）所领导的研究团队，和英国德罕大 学法伦克（Carlos S. Frenk）的团队，他们的研究结果显示，最初的结构大多数是些质 量较低的小型暗物质晕。因为早期宇宙的物质密度颇高，这些低质量暗晕（以及它们所包 含的星系）会彼此合并而形成质量较大的构造，依照这个方式，星系的建构可说是一个由 下而上的过程，就像利用一堆乐高积木建造出一栋玩具房屋般。（相反的方式则是由上而 下的程序，像是将玩具房屋给击碎，拆成一块块的积木。）我和同事则藉由观察遥远的星 系以及它们如何在宇宙中合并，来检验这些模型。 为何星系渐渐不再形成？ 详细的研究指出，星系在与其他星系合并时会发生形状扭曲的现象。我们所能看到最早的 星系，大约在宇宙年龄10亿岁时就已存在，其中有许多星系的确正在合并；但是，随着时 间的演进，大型星系合并的事件就不再盛行了。在大霹雳後20~60亿年间（也就是宇宙历 史的前半段），大型星系的合并率从50%骤降到接近零，从那时起，星系外形的分布比例 就固定下来了，可见星系的互撞与合并已经相当罕见。 事实上，今日宇宙中98%的大型星系，不是椭圆形就是螺旋形，它们的外形在发生合并的 时候会崩解变化。这些星系很稳定，大多由年老的恒星组成，这告诉我们，它们必定很早 就已形成，而且保持规则的形状已经有很长一段时间了。有少数星系至今仍在合并中，但 通常是质量较小的星系。 宇宙在现在年龄的一半时便开始显露疲态，合并现象的中断并不是唯一的迹象：恒星形成 率也同样衰退了下来。在1990年代有许多研究团队率先证实：今天仍存在的恒星，大多诞 生於宇宙历史的前半段。这些团队的领导人包括了当时加拿大多伦多大学的黎利（Simon J. Lilly）、美国航太总署太空望远镜科学研究所的马道（Piero Madau）与加州理工学 院的史泰德尔（Charles C. Steidel）。最近，研究人员已经明白这种趋势是如何发生的 。原来，大型星系内的恒星形成活动很早就停止了，当宇宙年龄是现在的一半时，只有质 量较小的系统仍以显着的效率持续生成恒星，恒星形成区的此种迁移现象称为「星系小型 化」（参见2005年2月号〈宇宙的中年危机〉）。这似乎有点矛盾：星系形成的理论预言 小型星系会先成形，当它们相互合并之後，才会出现大型星系；但是恒星形成的历史看来 却顺序相反：恒星诞生的主要地点一开始是大型星系，然後才轮到小型星系。 另一件怪事是，常见於星系中央的超大质量黑洞，其成长似乎已大幅减缓。这样的黑洞是 类星体和活跃星系的能量来源，在现代宇宙里的数量非常少；我们星系和其他星系里的黑 洞则是不活跃的。这种种关於星系的演化趋势是否相关？暗能量是否真是这一切现象的根 源？ 站上主宰的位子 有些天文学家认为星系内部的某些过程，例如黑洞及超新星的释放能量，是星系与恒星停 止形成的原因，但现在暗能量浮上了台面，它似乎是连结这所有事情的更基本原因，主要 的证据是当大部份星系与星系团停止形成的时间点，约略与暗能量开始主宰宇宙的时期相 符，两者都发生在宇宙大概是现在年龄的一半之时。 概念是这样的：在宇宙历史上的那个时期，物质的密度很高，因此星系间的重力作用足以 超越暗能量造成的效应；星系比肩接踵，相互作用而且经常合并。当星系内的气体云互相 碰撞时，新恒星便诞生了；若气体被卷入这些系统中央，黑洞就会成长。随着时间的演进 ，空间膨胀，物质逐渐稀薄，重力因而减弱，但暗能量的强度却维持不变（或几乎不变） ，两者间难以维持稳定的平衡状态，最终造成膨胀从减速转为加速，於是，星系所在的结 构被扯开，导致星系的合并比率逐渐降低，星系际气体也变得较难坠入星系中。丧失了粮 食，黑洞当然变得平静许多。 这一连串的事件，或许可用来解释星系族群的瘦身现象。质量最大的暗物质晕与置身其中 的星系，往往也是最能聚集成群的；它们与其他的大型暗晕相距甚近，因此比质量较小的 系统更容易撞进邻居家里，撞进去的时候，恒星形成率开始暴增。新形成的恒星先是发出 光亮，然後爆炸殒命，加热其周遭气体，使气体无法收缩形成新恒星，这样一来，恒星的 形成本身反而是扼杀恒星形成的凶手：恒星加热了它们赖以生成的气体，进而阻止其他新 恒星的诞生。这类星系中心的黑洞，则扮演了另一个抑制恒星形成的角色；星系合并时会 把气体喂入黑洞，使黑洞发射喷流，加热系统中的气体，阻碍其冷却，也因此无法生成新 的恒星。 显然地，大型星系里的恒星形成活动一旦停止，就无法重新开始，这很可能是因为这些系 统中的气体已经消耗殆尽，或变得太热而无法快速冷却下来。这些大型星系仍可与其他星 系合并，但由於缺乏低温气体，以致於不易形成新恒星。虽然大型星系失去了活力，但较 小的星系却持续合并，并制造新恒星，结果就像观测到的现象一样，大星系比小星系早定 型。暗能量或许是经由衡量星系群聚的程度与合并比率，来调控这个过程。 http://www.sciam.com.tw/read/readshow.asp?FDocNo=979&CL=4 -- ◣ ◢ .. ◥S --

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