现代天文学中的几个科普知识（五）

——关于暗物质和暗能量和引力波

华中科技大学，徐长发，2016.9.28

本文续接现代天文学中的几个科普知识（四）

九．什么是暗物质

1.发现并提出暗物质

大约70多年前，天文学家在观察银河系是个什么样子的时候发现一个奇怪的现象。大家以前认知的牛顿引力运动规律，例如太阳系中，星体绕中心公转的速度是有规律的，由于太阳引力的作用，离中心越近的公转越快，离中心远的公转慢，如下图中的蓝色曲线所示。但是银河系的恒星绕中心公转的表现是，以银河系中心的某个大圆盘内，所有恒星绕着中心的旋转有点类似于“刚性旋转”，即所有恒星以差不多的角速度绕中心旋转，距离中心越远的恒星的公转速度很快，如下图中的红色曲线所示。

图中的光亮网络发布就是暗物质的分布情况，在极大尺度下看到的，宇宙中暗物质的分布是网状结构的，有点像“丝瓜瓤子”；如果在较小尺度下去观察银河系，银河系的暗物质是球形的。

研究人员据此认为，可见物质粒子彼此发生碰撞会被暗物质的网状结构所限制，最终会聚集成簇；暗物质粒子如果碰到一起，不会像分子、原子等经典粒子那样发生反弹，而是会发生“暗物质网络穿行或交融”，暗物质粒子是“非碰撞粒子”。

现在,科学家们已经知道了暗物质是如何运作的。暗物质在星系团大的地方聚集得多，在小星系团处聚集的少，宇宙中的暗物质形成一个稀疏的网络。暗物质的网络像“胶水”一样，将宇宙的各个结构（星系团与星系团）连接在一起；如果没有暗物质，整个宇宙的结构都会四分五裂。

现在科学家们已有共识：构成广袤宇宙物质，我们所能见到的明物质仅约占5%，暗物质约占27%，其余的是暗能量。

5.寻找暗物质的方法

1)用对撞机模拟宇宙大爆炸，看粒子强烈对撞能否撞出弱相互作用的粒子来。可惜至今的对撞机能量级别不够，还不能撞出弱相互作用的粒子来。

2)空间搜索。现在已普遍认为，暗物质粒子是一种弱相互作用的粒子。由于弱相互作用粒子之间会互相湮灭产生高能光子和正负电子，那么通过对高能光子和正负电子的探测，我们就可以间接地探测暗物质了。如果我们观测到来自高能宇宙射线的正电子，这些正电子可能的来源有两种，一种是旋转的中子星，一种就是暗物质湮灭。

我们通过空间观察，现在已经确切地知道，正电子数量真的超出了天文学家预计的结果，它一定来自于我们过去不知道的东西。但是它来自脉冲星还是超新星，还是我们最期待的暗物质？目前尚不可知。

6. 研究暗物质有什么用

科学家们认为，暗物质是宇宙大爆炸的产物,在宇宙演化中起着决定性作用，也决定着宇宙未来的命运。同时，暗物质和暗能量的研究在基础物理学中也有着重要意义：因为科学界公认的粒子物理标准模型仅能解释占宇宙4.9%的普通物质，却无法解释暗物质和暗能量。

暗物质应该来自于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻，宇宙温度非常高，粒子能量非常强，它们剧烈碰撞。在这种相互作用下，包括暗物质在内的各种各样的物质由此产生。暗物质形成了网络结构，在此基础上可见物质才聚集在由暗物质建立起来的引力点上，并最终形成了星系。

寻找暗物质粒子，研究暗能量的物理本质，探索宇宙起源及演化的奥秘，结合粒子物理和宇宙学的研究，已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。科学界公认，揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃，将带来物理学的又一次革命。

但是，如果十年内总是找不到暗物质，那么科学家就可能要重新考虑新的理论和新的模型了。

十．什么是暗能量

1. 暗能量的由来

上个世纪末期，天文学家们都关注观测Ia型白矮星。因为它的亮度是一个固定值，它的亮度可成为测量宇宙距离的标尺。

白矮星是中等大小的恒星演化出来的一种晚期结果(参见恒星演化内容),它体积小、亮度低，但质量大、密度高温度高,因为它的颜色呈白色、体积比较矮小，因此被命名为白矮星。

科学家们可持续数个月观察Ia型白矮星和一些超新星的位置变化，发现了一个惊人的现象。科学家们发现，星系之间的距离越来越大，星系之间的空洞越来越大，宇宙膨胀的速度不仅没有减缓，宇宙还在加速膨胀。这个发现是一个极其重大的发现，现已得到了证实。

天文学家们同样无法解释这种现象。因为宇宙如果是大爆炸形成的，一方面按照惯性原理，物体的运动速度和方向都不会变化；另一方面由于引力的作用，天体之间远离的速度就应当不断减慢，然而观测结果是天体在加速远离，宇宙还在加速膨胀。宇宙中应该没有外力。究竟什么效应让它们加速远离呢？

为此，天文学家同样提出了假设。他们认为，宇宙中存在一种我们至今还仍未发现的力量，与引力不同，这种能量类似于一种反引力，它会令整个宇宙由内而外，让所有物体加速远离，导致宇宙加速膨胀。他们把这种假设存在的能量命名为“暗能量”。

还有一个证据支持暗能量假设。天文学家多年来一直用微波背景辐射的方法去精确测量宇宙中物质的总密度。结果发现，我们所知道的所有的普通物质与暗物质加起来，大约只占宇宙总密度的1/3左右，仍有约2/3的短缺。天文学家认为这些短缺的物质应该是暗能量.

2. 暗能量有什么特性

暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光，人们无法用电磁手段去探测。从微观上讲，它们的组成应该是完全不同的。更重要的是在引力表现方面，暗物质是引力自吸引的，它与普通物质成团并形成星系；而暗能量是引力自相斥的，它在宇宙中几乎均匀地分布。

通常能量（辐射）、重子和冷暗物质，压强都是正的，而暗能量的压强是负的。

3. 研究暗能量有什么意义

对暗能量和暗物质的研究和认识能让我们重新认识宇宙。

1）按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何（也就是时空扭曲表现），以及宇宙的过去和未来。现在多出来个“暗物质”和“暗能量”，那么情况就完全不同了。首先应该说，宇宙的总能量密度现在应该由明物质、暗物质的能量密度，还有暗能量密度之和所构成，这样的宇宙总能量密度将决定着宇宙的新的几何特性。

2）宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中，暗物质占了宇宙总能量密度的主导地位。正是暗物质促成了宇宙结构的形成，暗物质和引力促使星云聚合，形成星系。现在看来，我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定。宇宙目前正在加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。

3）宇宙在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，物理告诉人们，均匀状态是不会存在引力的；但是到了小尺度观察，宇宙的局部又是不均匀的且有引力存在的，例如恒星、星系、星系团、黑洞等。问题来了，这种宇宙的局部不均匀性又是怎么产生的呢？推理结果是宇宙在极早期时就存在物质分布的不均匀性，宇宙大爆炸至今才保持了现今宇宙的这种局部不均匀性。既然如此，宇宙极早期的物质分布的不均匀性一定会在宇宙微波背景辐射中留下痕迹。这些推理也都已经被证实了。

4. 目前所知的宇宙物质的组成

现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分大概只占宇宙的5％，暗物质占了宇宙的27%，还有68%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。

十一．什么是引力波

1. 常见的水波和声波

一块石头投入水中，水波会发生“涟漪”现象，其特点是：水平面仅仅在垂直方向上发生变化，而且是连续不断地变化。这是2维空间中的水面所发生的波动和传播，水波涟漪是看得见的2维波动。同样，声波是3维空间中的空气所表现的“涟漪”，这是看不见的3维波动。

2. 时空波动，时空“涟漪”

我们先简单地理解二维的时空“涟漪”。假设空间中有两个点，在正常情况下这两点之间的距离是已知的，光通过这段距离的时间是可知的；如果空间被拉伸了，那么光通过这段距离会需要更长的时间；如果空间被压缩了，那么光通过这段距离会需要较少的时间，这就是二维时空的联动。二维的时空发生“涟漪”是什么表现呢？具体的，在空间方面会表现为“一会儿被拉伸一会儿被压缩”的波动，光通过这段距离的时间也会随之表现为“一会儿长一会儿短”的波动；测出光通过这段距离在时间方面的波动，就等于测出了这段时间和空间的波动；这段空间和时间联在一起波动就是二维的时空“涟漪”。

四维的时空是三维空间和时间，四维一起联动怎么表现？四维时空的“涟漪”又怎么表现且怎么测量呢？科学家们在一个地面上做了2条互相垂直的隧道，每一条4公里长，设法测量出激光在通过这段隧道时的时间变化。当然，这需要非常精密的仪器，能区分10的负23次方秒差距的仪器。如果时空产生了“涟漪”，激光通过这2条隧道的时间会发生长短变化的波动；具体的说，如果在2个方向上都发生时间变长的波动现象，就说明这个局部空间被拉伸了，如果时间都变短了，就说明这个局部空间被压缩了；如果在两个方向上的时间都发生了波动，这正说明时空一起波动，这就是时空的“涟漪”。

3. 引力波

大家都知道，广义相对论说，引力会扭曲时空。比如，时空就像一张绷紧的又有弹性的膜，在膜上放一个重物，膜被扭曲了，相当于引力对膜的作用。物体的质量越大，其引力对时空的扭曲就越厉害。如果有两个质量非常大的星体，每个星体都产生很大的时空扭曲，当这两个星体距离较近地非常快地缠绕运动时，时空扭曲程度就会发生波动，这种由引力引起的时空波动，或时空“涟漪”就称为引力波。天体爆炸，天体相撞都会引起时空震荡，都会产生引力波。

就是用上面所述的测量方法，LIGO在2015年9月14号协调世界时09:50:45探测到了引力波。这个信号来自于双黑洞系统的合并。这个双黑洞系统距离地球大约为410兆秒差距，也就是大约13亿光年。这两个黑洞的质量分别大约是36个太阳质量和29个太阳质量，合并后形成相当于62个太阳质量的黑洞,其中大约有3个太阳质量转化为引力波能量辐射。这个成果在全世界的科学界引起了轰动。

4. 研究引力波有什么用

引力是一个很弱的相互作用力,一般的引力涟漪在地球上很难测量，只有靠天文中大质量的星体的运动，才能产生相对比较强一些的引力波。但是就算是这样，引力波对地面上的物质产生的影响也是微乎其微的。这次探测到的引力波，需要在1公里的长度上找到那小于原子核半径一万倍的空间变化。这么微弱的距离变化，是人类在此之前根本没法达到的，这次对引力波的测量是精密测量科学的最前沿。

一个电子做变速运动(或来回震动)所产生的电磁波是无法探测的,但是一堆电子做变速运动(或来回震动)所产生的电磁波是可以探测的。同样的，一个质子做变速运动（或来回震动）所产生的引力波是无法探测的，但是一个大质量物体做变速运动（或来回震动）所产生的引力波是可以接收的是可以探测的。星体和星系在宇宙中快速运动所产生的引力波一定是可以探测的，只要探测方法得当人们一定可以更多更细地探测宇宙中的引力波，探测波源，探测天体运动，探测天体相撞，探测黑洞合并等，从而能够进一步的认识宇宙。

测量引力波就是测量在引力波作用下的时空变化，所以测量引力波的技术可用于大距离的精密测量，有可能会用于行星轨道的测量。引力波的测量方法可用于对暗物质的研究。总之，其应用不可能都估计到。就像微波刚发现时，人们不可能想到微波现在有着那么广泛和不可限量的应用。

天文学中包含了太多的值得科普的知识，也包含了太多的至今无法弄清楚的神奇。本文也只能在大家所普遍关心的几个问题方面做一点科普理解。

关于现代天文学几个科普问题的内容全部结束。

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