9．暗物质和暗能量

2006年的诺贝尔物理学奖授予了两位美国天文学家马瑟和斯穆特，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性现象（见图6-10）。他们根据放置在人造卫星上的仪器（COBE）和南极的仪器所获得的数据，证明了在宇宙中的微波背景辐射并不是均匀的，从而证明宇宙早期的物质分布也不是均匀的，有地方多，有地方少。这为解释在万有引力的作用下，物质逐渐凝聚成为星云，成为恒星……，提供了很好的依据。这项研究工作补充了大爆炸宇宙学在理论上的缺陷，解释了宇宙是如何由量子作用力为主导，转化为万有引力为主导的过程。

然而还有一个问题，就是在本章第二节所提到的，如何估计宇宙的物质密度ρ，如果ρ大于宇宙的临界密度，那么宇宙就是有限的，宇宙将会有膨胀和收缩，将来总有一天，宇宙将会停止膨胀，转为收缩。然而对宇宙物质密度的估计是十分困难的，因为我们所看到的天体只是宇宙中物质的极少一部分，天文学家将看不到的那些物质统称为暗物质，它们可能是：光度很弱的矮星，已经趋于死亡的恒星残骸，弥漫于星际空间中的尘埃和气体，是中微子或者是什么别的粒子。虽然我们看不到暗物质，通过研究银河系的运动，我们却可以明显地感觉到它们的存在。如果银河系不包含暗物质，根据万有引力定律，银河系的旋转应该像太阳系一样，靠近银河系中心的恒星运动速度快，靠近银河系边缘的恒星运动速度慢。天文学家通过对银河系众多恒星的自行以及光谱的都普勒效应的观测，求出了每颗恒星的运动速度，然后进行了分析。分析结果表明：银河系的旋转并不像太阳系，恒星的运动速度并没有因为远离银河系中心而慢下来。这一现象只有用在银河系边缘存在着大量的暗物质来解释。对星系团的观测结果也证明，在各个星系之间应该存在大量的暗物质，否则按照各个星系的运动速度，星系团早就应该瓦解了。因此天文学家估计，宇宙间暗物质的总量远远超过亮物质。

早在1929年，美国天文学家哈勃通过观测河外星系的光谱红移确定了哈勃关系：离我们越远的河外星系，红移量越大，远离速度也越快。这个关系被称为哈勃定律。它为爱因斯坦的宇宙学理论和大爆炸宇宙学的创立奠定了基础。按照爱因斯坦的宇宙方程式，宇宙应该是有限的，没有边界的。宇宙有开始和也有终结，也就是说，宇宙应该有创立的时间，有年龄。为了理解宇宙的结构，我们可以想象宇宙是一个四维的球，空间三维，时间一维。所有的天体都分布在这个四维球面上，所以宇宙没有边界，也没有中心。沿着球面向任何方向走，都没有尽头。宇宙在膨胀，所以球面上天体之间的距离也越变越大。根据早期测定的结果，哈勃确定了河外星系远离速度与距离成正比，这个比值被称为哈勃常数H₀，H₀=70±7。在1999年，由27位天文学家组成的国际小组测定了哈勃常数为退行速度/距离。星系退行速度以千米/秒为单位。距离以百万秒差距为单位，1秒差距等于3.26光年。不难理解，如果宇宙是由一个点均匀地开始膨胀，那么宇宙的年龄应该等于1/H₀。根据最近的对哈勃常数的测定结果，H₀=71±7，因此给出宇宙年龄为138亿年。

做出科学研究的结论是很严格的，应该经得起检验。所以需要采用另外一种完全不同方法来做验证。采用哈勃常数确定宇宙年龄的方法，也需要用另一种方法来验证。也就是说，我们需要寻找另一种确定河外星系的距离的方法。这项研究获得了令人吃惊的结论；三位天文学家对Ia型超新星的观测，不但验证了哈勃定律，也证明了遥远的河外星系比预期的更加遥远，也就是说宇宙在加速膨胀。由于这个重要的发现，他们获得了2011年的诺贝尔物理学奖。

Ia型超新星是一种非常特殊的超新星，绝大部分的超新星是由红巨星形成的，而Ia型超新星是由白矮星形成的。按说白矮星就是恒星到了晚年，由于缺少核燃料形成外壳塌陷，爆炸而形成的，怎么会又一次爆发呢？

早在80多年前，一位印度学者钱德拉塞卡证明了白矮星的质量是有极限的，最大不能超过太阳质量的1.5倍。当超过这个极限时，就会爆发成为超新星。当时连他的导师英国著名天文学家爱丁顿都不相信他的论证。然而后来的许多观测结果验证了他的这个论证，50年后他获得了1987年的诺贝尔物理学奖。Ia型超新星在未爆发前是一颗质量不超过1.5倍太阳质量的白矮星，在它的旁边有另一颗离他很近的恒星，由于白矮星的巨大引力，将这颗恒星的物质不断地吸积过来，使得白矮星的质量不断增大，当达到质量极限时，就发生了爆发，成为Ia型超新星。所以有些天文学家戏称Ia型超新星是僵尸恒星（见图6-11）。可能是由于质量极限比较确定的缘故吧，Ia型超新星爆发时的光度变化曲线也是比较确定的，它的绝对亮度也是比较确定的。根据离开我们比较近的已知距离的河外星系中的Ia型超新星，可以准确地确定它们的绝对光度，再观测非常遥远的河外星系中的Ia型超新星，又可以反过来由亮度确定距离。结果发现这些遥远星系中的Ia型超新星亮度普遍较暗，这说明它们的距离应该更远。所以这些遥远的河外星系是处在比哈勃定律计算出的位置更远的地方。怎么解释这一现象呢？只有假设宇宙在加速膨胀（见图6-12）。

宇宙为什么会加速膨胀呢？根据已有的宇宙学理论人们找不到任何理论根据。因此有些学者提出了暗能量的假设，他们认为宇宙中存在着一种成团状分布的暗能量，它们会产生一种斥力来推动宇宙加速膨胀。而且越到宇宙发展的后期，其作用越明显（见图6-13）。根据他们的假说：宇宙中普通物质（亮物质）只占4%，23%的物质为暗物质，73%是暗能量。

暗能量是什么？现在还没有人能说得清楚，有人认为是真空能，然而理论上又存在许多矛盾。许多学者反对这个假说，可是他们还未能提出更好的解释。有人认为我们又面临一个物理学不能形成完整逻辑体系的时期，对暗物质和暗能量的研究是否会将我们推向一个更高的理论高度呢？

图6-10　WMAP更进一步证实了宇宙微波背景辐射的各向异性

图6-11　Ia型超新星（僵尸恒星）将要爆发

图6-12　四维的宇宙像气球在膨胀

图6-13　两个星系在碰撞，那些红色和蓝色的光，是否显示了暗物质的存在？