操控宇宙的幕後黑手 http://www.sciam.com.tw/read/readshow.asp?FDocNo=979&CL=4 暗能量不僅驅趕著宇宙膨脹，星系形狀與星系間的距離也控制在它的手裡。 撰文╱康塞利斯（Christopher J. Conselice） 翻譯／李沃龍 直到1998年，天文學家才發現，原來我們一直忽略了佔整個宇宙將近3/4的成份，也就是 暗能量。為何花了這麼久的時間呢？這是一種未知的能量型態，環繞在周遭環境裡，一直 輕輕地拉扯著我們，並且掌握了宇宙的命運，但我們卻渾然不覺它的存在。雖然，有些研 究者早就預期到這種能量的存在了，但就算是他們也會告訴你，偵測到暗能量可以算是20 世紀宇宙學最具革命性的發現之一。如果暗能量不僅是宇宙的主要成份，在時間的淬鍊下 還能歷久不衰，那麼我們恐怕必須發展出新的物理理論，才能夠解釋它的存在。 要了解暗能量的本質與其意涵，還有很長的路要走，而科學家才剛啟程；不過有件事我們 已經知道了：雖說暗能量的發現，是因為其對宇宙整體所造成的效應，但它很可能也形塑 了恆星、星系與星系團等宇宙居民的演化樣貌，也就是說，天文學家數十年來可能一直注 視著它的傑作，卻絲毫未曾察覺到它。 諷刺的是，暗能量如此難以發現的原因，正是它無所不在。暗能量與物質不同，它不會在 空間中某處群聚成團，而是依據其特有的性質，均勻的四處散佈。在任何地方，不論是你 家的廚房裡，或者星系際空間，它都具有相同的密度，約每立方公尺10-26公斤，相當於 一把氫原子的質量。太陽系內所有的暗能量加總起來，質量約等於一顆小型的小行星，所 以在行星的運行中，它根本是個微不足道的角色。只有當我們把眼光放遠到廣闊的時空尺 度上，暗能量的效應才會凸顯出來。 從美國天文學家哈伯（Edwin Hubble）那個時代開始，觀測者就已知道，除了少數最靠近 我們的星系外，大多數星系都以很高的速率在遠離我們，這個速率與距離成正比：離我們 越遠的星系，就後退得越快速。這樣的模式表示，星系的移動並非如我們平日在空間中移 動物體那樣直觀，還要考慮空間本身結構正在擴展而產生的影響（參見2005年4月號〈你 也誤會了大霹靂？〉）。數十年來，天文學家殫精竭慮地想解答下一個隨之而來的問題： 這膨脹速率會隨著時間如何改變呢？他們認為星系間彼此向內拉的萬有引力可以克服向外 膨脹的效應，宇宙的膨脹速率應該會逐漸慢下來。 關於膨脹速率的變化，第一個明確的觀測證據來自遙遠的超新星，就像盯著浮木可讓我們 測量河水的流速一樣，這種大型恆星的劇烈爆發，可以用來做為觀察宇宙膨脹的標示。觀 測結果清楚顯示，現在的膨脹速率比以前快，所以宇宙正在加速膨脹；更確切的說，宇宙 的膨脹確實曾經一度變慢，但在某個時刻經歷一段過渡期後，便開始加速了（參見延伸閱 讀1與2004年3月號〈從減速到加速〉）。這個引人注目的結果，也已經與其他關於宇宙微 波背景輻射的個別研究交叉檢驗過了，其中有些研究資料來自威金森微波異向性探測器（ WMAP）。 有個可能的推論是，在星系以上的大小尺度與較小的尺度上，重力定律並不相同，所以實 際上星系的重力並無法抵抗膨脹。但更廣為學者接受的說法是，重力定律仍普遍適用，不 過有某種科學界前所未知的能量型態，足以反抗並壓制星系間的相互吸引力，促使它們更 快速地分離，雖說在我們星系裡的暗能量無足輕重（更別提在你家廚房裡的了），但在宇 宙中加總起來，卻是最強大的力量。 宇宙的雕塑家 當天文學家探索這個新現象時，他們發現暗能量除了決定宇宙整體的膨脹速率之外，在較 小的尺度上也具有長期的效應。當你把對宇宙的觀測範圍縮小時，第一個會注意到的現象 是，在宇宙尺度下，物質的分佈就像張蜘蛛網一樣——由數千萬光年長的細絲編織而成的 網狀結構，中間穿插著一些大小相仿的網洞。電腦數值模擬顯示，要能解釋這樣的圖形， 必須同時具備物質與暗能量。 這可不是什麼大不了的發現。這些細絲與網洞並不是行星那種有著緊密結構的物體，它們 尚未從宇宙整體的膨脹中分離出來，其內部也還沒達到力的平衡，因此，它們的樣貌取決 於宇宙膨脹（以及一切會影響膨脹的現象）和其本身重力的競爭。在宇宙中沒有任何一方 能夠完全主宰這場拔河比賽：如果暗能量稍強一些，膨脹將會獲得勝利，使得物質擴張而 無法凝聚成細絲狀結構；假如暗能量稍弱一點，物質將會比現在更加凝聚在一起。 當你繼續把範圍縮小到星系團與星系的尺度時，情況會變得更複雜。包括我們銀河系在內 的所有星系，並不會隨著時間而膨脹，它們的大小取決於恆星、氣體和其他組成物質的角 動量與重力間的平衡；只有從星系際空間吸積新物質，或與其他星系合併時才會成長。宇 宙膨脹對於星系成長的影響微乎其微，因此，暗能量對於星系的形成，效應並不是那麼明 確。 同樣的道理也適用於星系團，星系團是數千個星系的集合，因重力而束縛在一起，藏身於 龐大的熱氣體雲內，是宇宙裡最大的聚合體。就在不久之前，許多有關星系與星系團形成 的觀點還看似和暗能量毫不相干；但現在看來，暗能量可能是連結這些不同觀點的關鍵。 因為這些系統的形成與演化，有部份是源自星系間的交互作用與合併，而這很可能正是由 暗能量所主導。 要了解暗能量如何影響星系的形成，得先知道天文學家認為星系是如何形成的。目前的理 論所根據的觀念是物質有兩種基本型態：第一種是普通物質，這種物質的粒子可以輕易的 互相作用，假如帶電的話，還會與電磁輻射作用，由於它們主要是由質子與中子這樣的重 子所組成，天文學家便稱它們為「重子物質」；第二種是暗物質（與暗能量截然不同）， 佔了所有物質總量的85%，特色是其組成粒子不會與輻射作用；但就重力的觀點而言，暗 物質與普通物質的特性完全相同。 依據理論模型，暗物質在大霹靂後就立即開始聚集，形成天文學家稱為「暈」的球狀團塊 。相反地，重子則因為粒子間以及輻射的作用，起初並不會聚集成團，仍保持在高熱的氣 體狀態，隨著宇宙膨脹，氣體溫度下降，才能夠聚集。第一代恆星與星系就是在大霹靂數 億年後，由這樣的冷卻氣體聚集而形成，它們的形成位置並不是隨意散佈在空間裡，而是 集中在早已成形的暗物質暈的中心區域。 自1980年代起，有些理論學家便以詳細的電腦模擬來探究這個過程，包括德國甲慶的馬克 士普朗克天文物理研究所懷特（Simon D. M. White）所領導的研究團隊，和英國德罕大 學法倫克（Carlos S. Frenk）的團隊，他們的研究結果顯示，最初的結構大多數是些質 量較低的小型暗物質暈。因為早期宇宙的物質密度頗高，這些低質量暗暈（以及它們所包 含的星系）會彼此合併而形成質量較大的構造，依照這個方式，星系的建構可說是一個由 下而上的過程，就像利用一堆樂高積木建造出一棟玩具房屋般。（相反的方式則是由上而 下的程序，像是將玩具房屋給擊碎，拆成一塊塊的積木。）我和同事則藉由觀察遙遠的星 系以及它們如何在宇宙中合併，來檢驗這些模型。 為何星系漸漸不再形成？ 詳細的研究指出，星系在與其他星系合併時會發生形狀扭曲的現象。我們所能看到最早的 星系，大約在宇宙年齡10億歲時就已存在，其中有許多星系的確正在合併；但是，隨著時 間的演進，大型星系合併的事件就不再盛行了。在大霹靂後20~60億年間（也就是宇宙歷 史的前半段），大型星系的合併率從50%驟降到接近零，從那時起，星系外形的分佈比例 就固定下來了，可見星系的互撞與合併已經相當罕見。 事實上，今日宇宙中98%的大型星系，不是橢圓形就是螺旋形，它們的外形在發生合併的 時候會崩解變化。這些星系很穩定，大多由年老的恆星組成，這告訴我們，它們必定很早 就已形成，而且保持規則的形狀已經有很長一段時間了。有少數星系至今仍在合併中，但 通常是質量較小的星系。 宇宙在現在年齡的一半時便開始顯露疲態，合併現象的中斷並不是唯一的跡象：恆星形成 率也同樣衰退了下來。在1990年代有許多研究團隊率先證實：今天仍存在的恆星，大多誕 生於宇宙歷史的前半段。這些團隊的領導人包括了當時加拿大多倫多大學的黎利（Simon J. Lilly）、美國航太總署太空望遠鏡科學研究所的馬道（Piero Madau）與加州理工學 院的史泰德爾（Charles C. Steidel）。最近，研究人員已經明白這種趨勢是如何發生的 。原來，大型星系內的恆星形成活動很早就停止了，當宇宙年齡是現在的一半時，只有質 量較小的系統仍以顯著的效率持續生成恆星，恆星形成區的此種遷移現象稱為「星系小型 化」（參見2005年2月號〈宇宙的中年危機〉）。這似乎有點矛盾：星系形成的理論預言 小型星系會先成形，當它們相互合併之後，才會出現大型星系；但是恆星形成的歷史看來 卻順序相反：恆星誕生的主要地點一開始是大型星系，然後才輪到小型星系。 另一件怪事是，常見於星系中央的超大質量黑洞，其成長似乎已大幅減緩。這樣的黑洞是 類星體和活躍星系的能量來源，在現代宇宙裡的數量非常少；我們星系和其他星系裡的黑 洞則是不活躍的。這種種關於星系的演化趨勢是否相關？暗能量是否真是這一切現象的根 源？ 站上主宰的位子 有些天文學家認為星系內部的某些過程，例如黑洞及超新星的釋放能量，是星系與恆星停 止形成的原因，但現在暗能量浮上了檯面，它似乎是連結這所有事情的更基本原因，主要 的證據是當大部份星系與星系團停止形成的時間點，約略與暗能量開始主宰宇宙的時期相 符，兩者都發生在宇宙大概是現在年齡的一半之時。 概念是這樣的：在宇宙歷史上的那個時期，物質的密度很高，因此星系間的重力作用足以 超越暗能量造成的效應；星系比肩接踵，相互作用而且經常合併。當星系內的氣體雲互相 碰撞時，新恆星便誕生了；若氣體被捲入這些系統中央，黑洞就會成長。隨著時間的演進 ，空間膨脹，物質逐漸稀薄，重力因而減弱，但暗能量的強度卻維持不變（或幾乎不變） ，兩者間難以維持穩定的平衡狀態，最終造成膨脹從減速轉為加速，於是，星系所在的結 構被扯開，導致星系的合併比率逐漸降低，星系際氣體也變得較難墜入星系中。喪失了糧 食，黑洞當然變得平靜許多。 這一連串的事件，或許可用來解釋星系族群的瘦身現象。質量最大的暗物質暈與置身其中 的星系，往往也是最能聚集成群的；它們與其他的大型暗暈相距甚近，因此比質量較小的 系統更容易撞進鄰居家裡，撞進去的時候，恆星形成率開始暴增。新形成的恆星先是發出 光亮，然後爆炸殞命，加熱其周遭氣體，使氣體無法收縮形成新恆星，這樣一來，恆星的 形成本身反而是扼殺恆星形成的兇手：恆星加熱了它們賴以生成的氣體，進而阻止其他新 恆星的誕生。這類星系中心的黑洞，則扮演了另一個抑制恆星形成的角色；星系合併時會 把氣體餵入黑洞，使黑洞發射噴流，加熱系統中的氣體，阻礙其冷卻，也因此無法生成新 的恆星。 顯然地，大型星系裡的恆星形成活動一旦停止，就無法重新開始，這很可能是因為這些系 統中的氣體已經消耗殆盡，或變得太熱而無法快速冷卻下來。這些大型星系仍可與其他星 系合併，但由於缺乏低溫氣體，以致於不易形成新恆星。雖然大型星系失去了活力，但較 小的星系卻持續合併，並製造新恆星，結果就像觀測到的現象一樣，大星系比小星系早定 型。暗能量或許是經由衡量星系群聚的程度與合併比率，來調控這個過程。 http://www.sciam.com.tw/read/readshow.asp?FDocNo=979&CL=4 -- ◣ ◢ .. ◥S --

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