旅行到时空边缘：第20章隐身的宇宙揭示薇拉的星空之梦

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第20章隐身的宇宙我们的大部分宇宙不见了薇拉的星空之梦1930年代初，一个七八岁的犹太小女孩迷恋上了星空，她叫薇拉，住在华盛顿，卧室里有一个朝北的窗户。丈夫鲍博·鲁宾体谅她的心情，把她介绍给大爆炸宇宙理论创始人伽莫夫读博士。1965年，鲁宾成为历史上第一位获准使用200英寸海耳望远镜的女性，这一年，她进入卡耐基研究院的地球磁力部工作。

第20章　隐身的宇宙

我们的大部分宇宙不见了

薇拉的星空之梦

1930年代初，一个七八岁的犹太小女孩迷恋上了星空，她叫薇拉，住在华盛顿，卧室里有一个朝北的窗户。夜晚，薇拉躺在床上可以看到外面的繁星，它们闪烁着从窗户下面升起，越过天空，再沉入到窗户的另一边。

薇拉大学上的是瓦瑟学院，这个学校有在草坪上观察星空的传统，因为学校一位叫玛丽娅·米切尔的教师曾经发现了一颗彗星，这在美国女性中是第一位。大学毕业后，薇拉想进普林斯顿大学研究天文，但因为性别遭到拒绝，该校直到1975年才开放女生入学，她只好申请了康乃尔大学天文系，并和该校一位研究生鲍博·鲁宾结了婚，成为薇拉·鲁宾，简称鲁宾，相当于中国古代用丈夫的姓称为妇女，一个女子嫁给姓鲁的男人，就简称鲁氏。

大学毕业后的鲁宾没有工作，每天只能待在家里带孩子，天文学家的梦想越来越遥远，每当她读到新一期《天体物理杂志》时，就泪流满面。丈夫鲍博·鲁宾体谅她的心情，把她介绍给大爆炸宇宙理论创始人伽莫夫读博士。1965年，鲁宾成为历史上第一位获准使用200英寸（5.08米）海耳望远镜的女性，这一年，她进入卡耐基研究院的地球磁力部工作。地球磁力部的福特研制出一种新的光谱仪，可以拍摄到很远很昏暗的星系光谱，鲁宾和福特利用它研究旋涡星系的转动。

不同寻常的星系旋转

他们首先将这一仪器对准邻近的巨大旋涡星系—仙女座M31。M31很大，横跨天空5度，相当于10个月亮排成一列，望远镜需要多次拍摄才能得到M31的完整光谱。摄谱仪如同一把锋利的手术刀，把M31星系肢解开来，得到了每一部分的光谱。谱线的红移和蓝移值可以显示出星系各部分的转动情况，蓝移表示向着我们而来，红移表示远离我们而去。

按说，M31的恒星公转速度应该呈现这样的变化：

在星系核心区，恒星轨道越大，公转速度会越快，因为核心区的恒星很密集，越大的轨道包含着越多物质。随着向边缘推进，星系的物质越来越稀薄，星球公转速度应该会越来越慢。这情形如同太阳系的旋转，太阳系的绝大部分物质集中在太阳，离太阳距离近的公转速度快，距离远的公转速度慢，比如水星公转速度每秒48千米，而第八颗行星海王星公转速度每秒只有5.4千米。

然而，当薇拉和福特把M31各部分的旋转速度绘制到一张大图上时，他们惊呆了。旋转曲线的样子非常奇怪—越往星系外围，星球旋转速度并没有如预期的那样降低，反而公转速度更快。

薇拉和福特决定做一番彻底调查。他们拍摄一个又一个星系光谱，亮的、暗的、各种形态的，这些星系都比仙女座大星系远得多，拍摄工作也简单得多，因为它们看上去要小得多，整个星系都可以进入望远镜视场，一次拍摄就得到了完整的星系光谱，整个星系的旋转情况一目了然。结论很清楚：恒星围绕星系核心的公转速度并不随着距离增加而下降。这意味着，星系里隐藏着大量不可见物质，它们被称为暗物质。

银河系的暗物质

其实，在薇拉幼年时的事情，暗物质就已经被发现了，当然不是她发现的，而是荷兰著名天文学家奥尔特。

1930年，奥尔特研究银河系的旋转，发现了一个奇怪的问题。他首先估计了一下整个银河系可能含有的质量，然后测量不同位置处的恒星飞行速度，结果惊讶地发现，恒星的飞行速度和银河系的质量非常不匹配。

恒星的飞行速度太快，银河系已知的质量太小，根本束缚不住那些恒星，它们会四散而去。按照恒星围绕银河系飞行的速度，奥尔特估算出了银河系的质量，太大，应该在银河系已知质量的5倍以上。

奥尔特预言，银河系充满了一种我们尚不知道的物质，因为这些物质不发光，天文学家们无法通过望远镜看到它们，但它们具有实实在在的引力效应，可以明显感知它们的存在。

1980年代，天文学家们在蝎虎座发现了一颗叫基克拉斯233-27的暗弱恒星，给银河系暗物质的存在带来了新证据。这颗恒星跑得飞快，以每秒583公里的速度朝太阳飞奔而来，它大概是银河系已知的最高速星。这样的高速度表明，它虽然位于太阳附近，却和太阳不是同一族类，它必然来自极遥远的银河系边疆的银晕，目前只是暂时穿越银盘，路过太阳附近，接下来，它还会越过银盘，远离而去。计算表明，要使这颗恒星达到这样高的速度，仅靠银河系内发光物质产生的引力远远不够。

银河系外围有一些很小的矮星系围绕银河系运动，它们的运动速度决定于银河系的质量，银河系质量大，它们的运动速度就快。根据矮星系围绕银河系的公转速度，天文学家们测出了银河系的总质量—约是太阳的一万亿倍，而银河系能够发光的物质总量大约为1000亿倍太阳。

太阳离银心27000光年，绕银心公转的速率是每秒250公里，根据这速度可以计算出，太阳轨道以内大约有1000亿的太阳质量。这样，银河系的质量有90％在太阳轨道以外，其中大部分在银盘外围的暗晕之中。

碰撞星系团显示的暗物质证据

暗物质的存在还有一个令人惊叹的证据—星系团碰撞。暗物质理论预言：星系团发生碰撞时，星系团中的暗物质会分离出来。

位于38亿光年之外的子弹星系团就是两个星系团碰撞的产物。这次碰撞发生在1亿年前，一个小型星系团穿过一个大的星系团，形成了一个子弹头一样的形状。科学家绘制出这个星系团的质量分布，红色区域是星系的气体，蓝色区域是暗物质，暗物质在星系团碰撞过程中最先彼此穿越，远远分离开来。为什么呢？

星系物质主要有三大组分：恒星、气体云和暗物质。在碰撞过程中，恒星之间有巨大的距离，可以相当轻易地彼此穿越。气体云分子就不一样，它们容易互相碰撞，速度会减慢很多，彼此分离就慢了许多。暗物质在星系碰撞过程中一点儿也不减速，这不是因为暗物质太稀薄，彼此相距太远，相反，主导理论认为暗物质粒子均匀分布在整个星系团里，但其脾性极为古怪，不仅不与普通物质粒子相互作用，暗物质粒子之间也几乎不发生任何作用，因而它们可以轻易地穿越碰撞的星系团，与星系的气体云分子分离开来，到达最远端的区域。

隐身有术

2007年，一个研究小组绘制出一个星系团暗物质轮廓。

只要哪里有发光物质，它们的边上就会有暗物质。暗物质在哪里聚集，星系就在哪里出现，星系和星系团镶嵌在暗物质之中，被暗物质推动运行，就像空中的尘埃，随风漂泊。

暗物质究竟是什么？天文学家们对此几乎一无所知，除了引力效应外，它没有显现出任何其他效应；它也不是已知的任何一种物质粒子。

然而暗物质这个名字有些误导，好像它们是黑暗不发光的物质，实际上它们是透明的，望远镜和其他任何已知的探测手段都看不到它们。因为暗物质粒子不与普通物质相互作用，它们可以轻易地穿透地球，穿透我们的身体，而我们毫不觉察。

会不会是另外一种情况，引力定律出了问题？

还记得牛顿引力定律在水星上出现的问题吗？水星近日点的进动每100年有43角秒的误差，牛顿运动定律无法解决，因为它只适用远离太阳的地方，而水星离太阳距离很近，太阳对时空的弯曲影响了水星的进动，爱因斯坦的广义相对论修正了牛顿引力理论，很好地解决了这个问题。

那次是离太阳太近，这次是远离星系中心。

牛顿运动定律在太阳边上失效了，广义相对论会不会在星系边上失效？

然而广义相对论是如此成功，它的所有预言全都被精确地证实了。科学家们也做了许多精确的测量，暗物质的存在看起来无可置疑，而且数量庞大，宇宙每一公斤由质子、中子、电子构成的普通物质，就对应着五公斤什么也不是的暗物质，它们分布在银河系周围，每一个外星系周围，遍布整个宇宙。但是，人类看不见它们。

宇宙成功地把自己隐身起来，只显露给人类一小部分。

宇宙，闭合还是开放？

回到宇宙膨胀中来。

暗物质大大增加了宇宙的物质总量，使宇宙膨胀减速，甚至还有可能使宇宙膨胀停止下来，转而收缩。20世纪60年代，桑德奇就持这样的观点，他相信宇宙是一个有限的封闭系统，宇宙膨胀速度正在减慢并最终停止，然后会坍缩到一起，接着再膨胀开来，每隔800多亿年循环一次。那时桑德奇是宇宙学的权威，给人的印象是，他的观测数据会对宇宙命运做出最终的判决。

不是所有人都赞同桑德奇。1967年，桑德奇到德克萨斯大学做演讲，还没开始，一个女研究生站起来向听众宣布，桑德奇将要讲的东西全都是错的。这个勇敢好斗的女生叫比特蕾丝·汀斯丽，她的研究结果与桑德奇相反—宇宙是开放的。

比特蕾丝·汀斯丽不久后来到帕萨迪纳，与桑德奇的对手—加州理工学院教授吉姆·冈恩一起工作。冈恩是一个全才，既是出色的理论家，又擅长制作仪器，许多哈勃望远镜拍摄的漂亮照片，都来自冈恩设计的行星照相机。桑德奇本人也对这个对手非常敬重，有一次有人问桑德奇谁是世界上最优秀的天文学家，他回答说，“哦，年轻的吉姆·冈恩干得非常出色，如果他坚持下去，有可能位居第二。”

若干年后，高傲的桑德奇改变了自己的看法，转而接受了比特蕾丝·汀斯丽的观点，认为宇宙的物质密度可能没有那么大，它是开放的，将永远膨胀下去。桑德奇承认自己内心里还是喜欢闭合宇宙，这样的宇宙会再次收缩并有可能发生振荡，在轮回中得到永生；无限膨胀的宇宙，最终结果必然是永恒的死寂，那存在的意义究竟是什么呢？

但这时候，比特蕾丝·汀斯丽走得更远了。她在《自然》杂志上发表论文，论证被爱因斯坦抛弃的宇宙学常数可能真的存在，那个常数起到的作用是和引力相反的排斥力，这无疑太有些异想天开了。然而在1998年，天文学家们公布了一个匪夷所思的新发现，证明了比特蕾丝先知般的洞察力。

旅行到时空边缘：第20章隐身的宇宙揭示薇拉的星空之梦

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