势不可挡的暗物质
Kelly Beatty
译自SKYtonight.com，2008年12月18日
朝天空扔个球，引力会让它的速度比从手中离开的时候更慢。几十年来，天文学家认为，大爆炸后的宇宙也是类似的。尽管随着空间的膨胀，星系在相互分离，它们的运动应该是随着时间的推移而减速的，原因在于它们彼此之间的引力。
但在十年前，宇宙学家发现了一些完全在预料之外的东西。在过去的几十亿年里，宇宙的膨胀速度没有减慢，反而加快了。这就好象是你朝上扔的棒球没有减速，反而突然生出了火箭引擎，径直飞向云端。
看起来，是类似于反引力的东西（名为“暗能量”，由于没有更好的名称而采用现名）在让空间膨胀。证据呢？极远的星系正在以相对距离（根据其中超新星的亮度测得）而言的错误速度（根据红移测得）远离我们而去。
右图：星系团中的大部分物质是以热气体的形式存在的，它们辐射出大量的X射线。一个例子是星系团阿贝尔（Abell）85，这里是它的X射线（紫色，由NASA的钱德拉X射线天文台提供）与可见光（由斯隆数字巡天提供）的合成照片。（图片提供：X射线：NASA/CXC/SAO/A.Vikhlinin & others；可见光：SDSS）
近年来，寻找证据确认暗能量存在的宇宙学家用另一种方法寻找它的作用：分析包含上千个星系的遥远星系团，这样的星系团总质量达到太阳的千万亿（1015）倍。这样的星系团是宇宙中最大尺度的自引力结构。它们提供的诱人证据说明，类似于反引力的东西确实推迟了它们的演化。
由史密松天体物理天文台的Alexey Vihklinin领导的小组发现，极其古老的星系团比新近形成的质量要大得多。Vihklinin解释道：“我们所发现的是，在过去的55亿年中，这些结构的生长减慢了。而这是暗能量存在的无误证据。”
研究人员利用NASA的钱德拉X射线天文台测绘了充斥在几十个星系团（其中的一些相对年轻，其他要更古老些）中明亮的X射线热气体，以确定它们的质量。他们的结果要正式发表在明年2月10日出版的《天体物理学报》上，但是周二的一次新闻发布会为这项持续数年的工作提供了概述（且形式上更容易理解！）。
来自史密松的论文合作者William Forman解释说：“星系团的生长实际上是引力与加速膨胀之间相互竞争的结果。”而钱德拉的观测表明，与较早形成的星系团相比，年轻星系团的质量比应有的要小。大约50亿年前，星系的彼此间距变得更大，而其彼此的引力作用变弱，排斥性的暗物质开始胜过了引力。
Vihklinin及其小组的工作是基于早年利用钱德拉的观测进行的研究而完成的。实际上，周二发布的新闻看起来可以让人回忆起2004年中将星系团与暗能量相联系的类似报道。
宇宙的膨胀是引力（由不可见的“暗物质”支配）与排斥性的“暗能量”之间的拉锯战。新的结果证实，暗物质赢得了战斗，而宇宙现在正在加速膨胀。（图片提供：NASA / CXC / Smithsonian Astrophysical Obs.）
故事不仅仅是这些。新的结果增强了宇宙学家的信心，让他们确信，他们已经知道了暗能量的状态方程，也就是说，随着宇宙的膨胀，它的行为会如何变化（或是不变化）。事情看起来愈发是，不论空间膨胀到多少，有多大的体积，在一定空间（假设是一立方厘米）中的暗物质总量保持不变。这意味着，暗能量由于某种原因与真空本身相联系，而非空间中的某种粒子或场。后者随着空间的膨胀会被稀释，就好象是原子与星系那样。
换句话说，暗物质似乎与阿尔伯特·爱因斯坦构想出（之后又放弃）的观点吻合。爱因斯坦引入了违背引力的“宇宙学常数”来解释看起来静止的宇宙（在宇宙膨胀被发现之前）在自身引力的作用下为什么可以不坍缩。
新的结果协助证实，我们认为的“常规”物质，也就是从恒星星系到亚原子粒子的一切，只占据所有物质与能量的4%。其他包括24%的“非重子暗物质”（由迄今尚未探知的物质组成，不过粒子物理学家有他们自己的想法），还有72%的暗能量。10年前基于超新星的星系距离测量给出了同样的比例——而对宇宙微波背景辐射的分析在更高精度上也得到了这一结果。这是“精确宇宙学”新时代的冠冕上一丛新的羽毛。
除却爱因斯坦的宇宙学常数，理论家提出，暗能量也许还能通过其他方式来解释：广义相对论的不完美需要修正的引力定律；或者诉诸名为“精质（quintessence）”的不可见能场，它弥漫在整个宇宙中（虽说状态方程的数值反对这一点）；或是象弦论所说的那样，是不可见的微观空间额外维度的作用。
普林斯顿大学的David Spergel说：“最为简单的解释，也就是暗能量与真空关联”，这与爱因斯坦的提议相符，也是粒子物理学家长久以来的猜测。换句话说，Spergel俏皮地说道：“哪怕是无，也是有什么的”——而称量无所得的是负值。宇宙中有着如此多的无，无微小的负值开始将未受引力束缚的万物分开。Spergel将新的结果称为“广义相对论的胜利”。
宇宙学的老手、芝加哥大学的Michael Turner在某种程度上赞同这一观点。他告诉《天空与望远镜》杂志：“钱德拉独立的证据打开了通向新技术的大门。所有的观测仍旧与宇宙学常数最为简单的解释相符，但10年过去了，我们还在挠头。”Turner警告，仍旧有精质等其他观点周旋的余地。“我认为，这是个深远的问题，我们的认识在加深。”
现在，人们对于暗物质的存在更为自信了，宇宙学家可以想象这样一个宇宙，它注定要以比光还快的速度分开得更快。（注：是的，空间的膨胀可以超过光速。爱因斯坦的定律说没有物质或能量可以比光速运动得更快，一个世纪以来，这一定律被愈加牢固地确认了，但它只适合穿过空间的运动。）我们时刻可以凝望银河系中的恒星，还有仙女星系的成员（实际上它正朝向我们飞来），也许还有我们的本星系群中的其他星系。但我们与更远的东西之间并没有因引力束缚在一起，因此从现在起的几百亿年后，空间的加速膨胀将让它们的距离远到不可能被看到。
忍受我吧。将星系想象成在水中停留的船只，而水就是空间。想象海洋本身由于上涌的洋流在膨胀，因此船只会彼此分开。虽然船在水中静止不动，这样下去，它仍旧可以远离其他船只，比自己的最高速度还要快——这只会限制它相对于水的速度。
我们没有说宇宙学是容易的……
