国家天文台副研究员李然：绘制暗物质宇宙

国家天文台副研究员李然

　　新浪财经讯 CC讲坛第十八期于2017年5月1日在北京大学医学部跃进报告厅举行，国家天文台副研究员李然出席并发表演讲。 

　　地球、银河系、各种星系团……所有可见的物质仅占到宇宙质量的17%，其他都是暗物质。天文学家如何绘制这个“看”不见的暗物质宇宙？

　　以下为演讲实录：

　　李然：天文学家干的事情对大家来说可能就是去拍一拍我们的星空，所以让我们用一张漂亮的星空的照片来开始我们今天的演讲。

　　在这张图片中，我们展现了一个距离银河系最近的星系团，它的名字叫做“后发座”星系团。什么是星系团？我们的银河系是一个星系，我们的太阳是银河系千亿颗恒星中普通的一颗。在天空中会有这样的地方，很多的星系聚集起来成为了一团，你会看到在这张图片中有很多这种橘黄色的椭圆的天体，它们都是跟银河系一样璀璨的星系。

　　为什么它们会聚集在一起？科学家认为是因为引力把它们束缚住了，这些星系互相吸引使得它们聚在这里不会逃跑。但在1933年的时候，加州理工大学的一位科学家，他叫弗里兹·茨威基，他告诉我们，你看到的这些星系只是这些星系团里边包含的物质很少的一部分。在这样一个璀璨的星系世界背后，实际上隐藏着一个更大的黑暗世界。他是怎么发现这件事情的？他就测量了这个星系团里每一个星系的运动速度，他发现它们的运动速度太快了。什么叫太快了？我们在地球上，地球的引力束缚住我们，所以我们不会飞到太空中去。我们的地球有很多人造卫星，那地球的引力束缚了这些人造卫星，使得它们只能够在轨道上面转动，而不会飞到太空深处。但如果我们去踢这些卫星一脚，给它们一个很高的加速度，那么它就会脱离地球的束缚，飞到宇宙的深处。

　　所以茨威基在1933年的时候，发现在我们的这个星系团中，每个星系的速度似乎都非常的大，即使你将这个星系团里边所有能够产生引力的物质，所有这些你可以看见的恒星加在一起，你这个引力还是不够束缚住它，所以星系团应该早就散掉了才对。那是什么使它们聚集在一起呢？茨威基猜想说这里边有很多你看不见的物质，他给它们起了个名字叫暗物质。

　　这些物质的量必须是可见物质的十倍才能够使得这个星系团里的星系束缚在一起。

　　那么1933年的时候，茨威基在美国是一个富有激情，给出了非常多有趣的科学想法，但是做出了更多荒谬预言的科学家，所以直到60年代之前，人们一直对他的预言将信将疑。但随着时间的推进，人们发现暗物质在宇宙的不同地方实际上都存在。当人们去看一个跟我们银河系一样的星系的时候，他们去测量这些星系里面的恒星是如何绕着星系中心转动的，他们就发现在星系的外围，他们猜想这些恒星的转动速度应该是像这条红线一样，但实际上他们测出来的星系的转动在星系的外围却非常的高，是由这条蓝线来描述的。这些恒星也跑得太快了，在星系里面也必须有很多你看不见的物质去提供引力，才能够束缚住这些恒星。那么今天我们天文学家大概对暗物质的存在已经不太存疑，我们知道它占我们宇宙组分的83%。

　　那么重要的是，如何绘制出来它们的地图？如何在宇宙中找出来它们的分布？那么这样的一件事情就是我和很多跟我一样的天文学研究者做的事情。怎样去找它们？因为它们不发光，你看不见它们，所以你唯一能够探测到它们的方式就是通过它们的引力效应。什么叫引力效应？你能不能束缚住星系这就是一个引力效应。

　　但是茨威基他当年提出了一个更好的方法，我们要通过引力对光线的偏折来找到它们，就是要通过引力透镜的方法来找到暗物质。在我们的生活中我们看到很多光线偏折的现象，我们有凸透镜、凹透镜，它们都能够弯折光线。我们放一杯水，将一个筷子插在水中我们就看到筷子弯折了。

　　在我们的宇宙中也有很多可以偏折光线的实物，那就是我们的天体。根据爱因斯坦的广义相对论，只要有物质的地方空间就会发生弯曲。那么当遥远的宇宙中天体发出来的光，经过这样弯曲的时空，我们就会看到它的图像发生了改变，本来它的位置应该是在这个图的左边。光线被弯曲以后，由于我们的人眼总是去追踪光线的反向延长线，所以我们会觉得这个天体的位置实际上在右边。那在宇宙中，我们再继续想一下，如果在遥远的天体，遥远的宇宙中有一个天体发出光线，那在它跟我们之间如果存在另外一个有很多质量的天体的话，那会出现什么情况？光线会从四面八方都发生弯折，从不同的路径进入到地球人观测者的眼中，那这个时候你看到的就不只是这一个天体，它的位置移动了，而是你会看到它在天上变成了一个光环。我们的眼睛总是追踪光线来的方向，所以会觉得这一个天体在空中变成了一个光环，这就是引力透镜现象。这个光环有时候被称作“爱因斯坦环”。所以引力透镜并不是一个仪器，并不是一个我们放在地面上的仪器，而是我们利用宇宙中的天体去观测更远处的宇宙这样的一种方式。

　　在我们的宇宙中是不是真的存在爱因斯坦环？答案当然是肯定的。在这张图片中我们看到哈勃望远镜拍摄的高分辨率图像中有一个非常漂亮的爱因斯坦环的图像，这个蓝色的环像戒指一样围绕着这个金色的星系，实际上这个蓝色的环是遥远宇宙中的一个正常的星系，它之所以变得这么扭曲，是因为这个金色星系的引力场弯曲了它的光线。我们还可以看到更多的样本。茨威基当年说的是对的，当我们拿出一个星系团，我们在星系团里面能够找到很多这种扭曲的图像，那么这些图像是什么？它们看起来并不像是一个正常的星系，但是它们确实是一个正常的星系，这是因为它们在距离星系团更远的地方，所以当我们透过星系团去观察它们的时候会觉得它们被扭曲得很厉害。

　　今天天文学研究者就是通过去研究这些扭曲图像的位置和它们扭曲的程度，从而知道暗物质是如何在宇宙中分布的，可以通过这样的扭曲和这样的图像去建立出星系团中暗物质的分布。比如说在这样的图像中，我们用白色的雾状的笔触描绘出了星系团暗物质应该分布的地方。我们会发现暗物质跟星系一样，在星系团中，在星系聚集的地方就更多一些，在星系团的外围在图像的边缘处它就显得更少一些。那么为什么暗物质总是跟着星系走？实际上这个问题是倒过来的。如果我们想象一下在这个宇宙中有80%多的物质都是暗物质，只有百分之十几的物质是可见物质的话，我们就会意识到实际上是可见物质在追着暗物质走。

　　这是一个宇宙学数值模拟，也就是说我们在计算机中追踪宇宙是如何演化的，这个数值模拟被称作“鹰数值模拟”。在图像的左侧是宇宙初始时候的样子，而在宇宙的右侧是宇宙今天的样子。在这张图片中越亮的地方说明那里的暗物质越多，而越暗的地方说明那里是不存在物质的空洞。所以我们可以看到在宇宙早期，宇宙里边的物质分布是很均匀的，但是随着宇宙的演化，由于物质和物质相互之间的引力作用，密的地方会变得更密，疏的地方会变得更疏。所以我们既出现了这种非常亮的星系团，也出现了这种巨大的空洞。而刚才在我们所有图片中看到的那种璀璨的横亘百万光年的星系团，在这样一张宇宙的图像上实际上仅仅是宇宙中就是图像中最亮的那些小的亮斑，所以我们就可以意识到我们的宇宙是多么广大的一个世界。

　　那么星系在哪里？在宇宙初始的时候，我们的宇宙中是没有星系的，只有氢原子氦原子构成的气体，它们会受到暗物质的结构的引力，落到暗物质引力场的中间在那里形成恒星、形成星系，所以今天我们的宇宙是由暗物质构成了骨架，而星系被暗物质包裹于其中。

　　那么很多朋友听到这里可能就会有点担心了，我们的宇宙中有这么多的物质，是不是说我们看到的所有的东西都已经被引力透镜扭曲了？当你们看一下我背后的时候是不是你们已经看到了一个扭曲的世界？而我穿过你们看到的是另外一个不同的世界？这是一个非常好的问题答案。当然是的。但是不管是我还是大家质量都太小了，不足以扭曲我们生活中的光线。所以你们看到我背后的图像虽然受到了非常微弱的引力透镜效应，受到了我的引力透镜效应，但是它几乎没有发生什么改变。在我们的宇宙中也是一样，在我们的宇宙里边大多数的地方是空洞的，只有少数地方聚集着物质，所以当遥远的天体也就是这个图像中蓝色的远处的星系它们发出的光线穿过宇宙时，虽然它不断地受到引力透镜弯折的效应，但是最终这个弯折效应的总和是比较弱的，所以我们仅仅看到星系的图像变得更椭了一点或者变得更圆了一点。

　　但这些事情对宇宙学家是非常非常好的事情，通过测量遥远星系的形状，今天的宇宙学家就有可能还原整个宇宙中的暗物质分布。有些地方星系更椭，我们就会知道那里的暗物质可能更多，有些地方的星系看上去它们的分布是随机的，那么说明那里可能是一个空洞。有了这样的方法我们就好像有了一个扫描仪，可以去扫描我们整个宇宙物质究竟是如何分布的。

　　当我们谈到这里，实际上我们还没有认真的谈过什么是暗物质？什么是“暗”？在我们生活中看到很多暗的东西，我站在这里，后边光线没有照到的地方对我来说就是暗的。在夜里，我们拉开窗帘看一下外边的世界，它也是黑暗的。但那种黑暗并不是真正的黑暗，我们拿一束手电就可以照亮它。暗物质不发出任何的电磁波，不发出光线，它也不会反射光线，它不会和我们的可见世界发生任何的相互作用，或者只发生非常有限非常微小的相互作用。什么意思？如果我将一团暗物质放在这个讲台上它并不会停在这个讲台上，而会穿过我们的讲台掉入地心。那么究竟是什么样的粒子构成了暗物质？今天我们还不知道这样的答案。

　　但是我们在宇宙中却发现了很多暗物质这种穿墙术的例子。比如在宇宙中经常上演着星系团和星系团相撞的戏码。星系团中有什么？星系团中有星系有暗物质还有热气体，在这张图片中，两个星系团相撞，我们用红色画出了星系团中的热气体，我们可以看到在图片的右侧有一个像子弹一样的物体，那是一团热气体。通过碰撞穿过了星系团左侧的另一团热气体，在这样的过程中，这团气体的速度就减缓了，但暗物质不和热气体、不和可见的世界发生相互作用，所以当我们用蓝色的雾状的笔触描绘出暗物质的时候，我们发现它反而跑的比热气体还要更快了。在这张图片中，最右侧的那团暗物质它本来的位置实际上是和那个子弹在一起的。但经过了碰撞，它反而飞得比那个子弹型的热气体团块还要快，充分地说明了暗物质它确实是暗的，不仅仅是我们没有看到的可见世界，而是一个真正的跟我们可见世界完全不同的世界。

　　今天在我们的地球上很多的科学家试图用探测器来直接探测到暗物质，比如上海交大领导的PandaX计划。他们试图在山腹中去放置一些探测器，我们的地球浸泡在宇宙中，所以暗物质当然也会来到地球。当暗物质来到地球的时候，它是和很多其他的宇宙中的高能粒子一块来到地球的，它们会穿过这个山体，绝大多数的高能宇宙射线就会被这个山体挡住，但暗物质它因为有穿墙术，所以它可以穿过山体一直到山腹中。这个有探测器的地方，它有非常非常小的几率能够跟探测器里边的液体氙发生相互作用，而在这样的过程中我们有可能看到一道辉光。如果谁能够看到这道辉光，他就抓住了暗物质的尾巴。但是今天我们的世界上有很多这样的探测实验，我们还没有真正的找到暗物质的踪迹。

　　那天文学家怎么去看这件事情？地面上既然我们一时没有头绪，我们是不是可以到天上去试试找这件事？那么朋友们可能会疑惑，一个粒子，它是一个什么东西？它是一个非常小的，对不对？质量也很小的东西。而我们天文上的结构总是这种非常巨大的，上百万光年的结构。但有趣的是，经过我们的理论研究我们发现，粒子的性质如果不同，它构造出来的宇宙也是不同的。

　　在这样的图像中我们展示了三组宇宙学数值模拟，都是在计算机中模拟出来的宇宙的样子。这里边标着热暗物质的模拟，这里边的暗物质它的粒子质量很轻，而标着冷暗物质的这个模拟，它里边粒子的质量非常的重，不同的粒子质量就会产生差别很大的结构。如果我们生活在一个冷暗物质构成的宇宙中，我们的宇宙会存在非常多这种细小的纤维状结构，也会存在很多的这种小型的团块，而在热暗物质中却不存在这个事情，非常有意思。

　　但在我们的生活中其实有类似的现象。我们走在大街上，普通人不会关注到我们的楼是由什么样的材料构成的。但是建筑家会告诉你这个楼是全钢结构的，那个楼应该是砖混结构的。他们会意识到一个物体它的外观、它的高度、它的形态是和材料的微观性质紧密相连的。所以暗物质也是一样，如何去区分不同的暗物质模型？我们只要对宇宙中的暗物质进行绘图，就可以做到了。而这就是我和我的团队在最近几年里边致力要完成的事情。那这件事情非常的困难，所以我们依然在进展当中。

　　我们所希望做到的事情就是去观察宇宙遥远处的天体，如果这个天体的图像被引力透镜扭曲了，那么它的光线会从四面八方到达我们地球观测者的眼中，而如果在路径上面这些光线碰到了很多暗物质的小团块，那么这些小团块会在我们看到的已经扭曲的图像上附加一个更加微小的扭曲，那么这个更加微小的扭曲如果被我们探测到，我们就可以知道我们的宇宙究竟是平滑的，还是包含了非常多细小的结构，非常复杂的。那将让我们知道宇宙究竟是冷暗物质构成的还是热暗物质（或温暗物质）构成的。用这样的方法，我们可以帮助地球上面做实验的同行们去区分很大一类的这个暗物质的模型，帮助他们更好地完成他们直接探测暗物质的实验。

　　那么讲到这个地方差不多我今天的演讲就基本上要结束了，但是我们这个需要回答的一个还没有解答的问题是，为什么我们要研究暗物质？这件事情对我本人来说其实并不是一个问题，因为作为一个科学研究者，当你发现这个世界80%的物质都是跟你生活中的物质完全不一样，而是一个黑暗的世界，是一个未知世界的时候你的好奇心天然的就被激发了。

　　但同样这也是一个很有意思的问题。那我们整个的人类社会为什么会关心暗物质存在这件事情？我对后边这个问题实际上并没有很深刻的答案，因为科学工作者做的事情只是事情的第一步，我们找到暗物质，我们找到它们在哪里，我们告诉大家它们是什么。也许有一天我们能够了解它的方方面面将它写入教科书，而从那时起这样的一个问题就会是整个人类的问题，是向每一个人去思考暗物质究竟对我们有什么用？我们能够用它来完成什么样的事业？这就好像在哥伦布发现美洲的时候，他并不会意识到未来的美洲将会发展成什么样的文明；发明互联网的人也不会意识到，今天我们手中的手机是如何联通了我们的这个世界。那么今天我们这些研究暗物质的人，也不会想到有朝一日暗物质的秘密完全被揭开以后它会产生什么样的作用。那样的一个问题将会是我们在座的每一位朋友需要回答的问题。谢谢大家！

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