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从卫星星系到暗物质本质
120 亿光年外的模糊星系2015 年1 月的一个普通的日子,天文学家们在美国华盛顿州西雅图出席一个大规模的天文学会议.他们都很想看看新的ALMA望远镜拍摄效果如何.ALMA 是“阿塔卡马毫米/ 亚毫米波阵列”的英文缩写,这是一座设立在南美洲智利境内海拔超过5000 米的阿塔卡马沙漠之中,由66 面射电天线组成的庞大阵列.美国斯坦福大学的天文学家亚沙·赫萨维听说,在该设备最初拍摄的一批高分辨率图像中,包括了一个编号为S D P81 的星系,这是一个距离地球120 亿光年的遥远星系,在2010 年赫歇尔空间望远镜的图像中,它看上去只不过是一团模糊的光点.
赫萨维急切想要知道的是这首批图像的拍摄质量.多年以来,他一直在利用计算机模型方法模拟类似S D P81 这样的星系,在A L M A 望远镜的图像中可能会呈现的模样,而现在的他很想知道自己长期以来所做的模拟是否准确,这对天文学家们至关重要.天文学家们正致力于寻找那些类似S D P81 这样隐藏在照片之中不容易被注意到的矮星系.容易被忽略的矮星系几乎是无法被观测到的,尽管如此,但它们的质量产生的引力作用仍然会留下蛛丝马迹.加州大学洛杉矶分校的天文学家托马索·特鲁指出：“我们无法观测到这些矮星系,但由于引力的缘故,我们知道它们在那里——这听上去真的很酷！”
卫星星系
了解这样的矮星系是否存在以及存在的数量多少,对于解决宇宙学中的一个重大问题是至关重要——究竟是什么物质组成了我们所在的宇宙？同样面临严峻考验的还包括目前我们所拥有的关于宇宙形成的最佳理论.尽管该理论已经取得了巨大成功,但仍然存在一些缺陷,而这些问题的答案可能就与宇宙中隐藏的矮星系有关.天文学家们认为很多的矮行星可能是孤独漂浮在宇宙空间之中的,但也有很大部分矮行星隐藏在大型星系的周围区域,并围绕大型星系公转,成为后者的所谓“卫星星系”,根据目前的观测,在银河系的周围已经确认有超过50 个的此类矮星系.这些卫星星系相比银河系而言显得非常渺小,其中有些矮行星中甚至只含有数千颗的恒星.就像在所有其他星系中一样,恒星都是被暗物质包裹着的,后者是构成宇宙超过1/4 强的神秘物质,我们目前对于其性质与本质几乎仍然是一无所知.暗物质构成了矮行星质量的绝大部分,提供了维持矮星系稳定存在的“引力胶水”.在银河系最大的两个卫星星系分别是大麦哲伦星系和小麦哲伦星系,它们两个在南半球使用肉眼就能清晰地看到,而其他的卫星星系则显得非常暗淡,只能用望远镜进行观察.
卫星星系失踪之谜
这是一项重要的进展.在20世纪90 年代晚期,当时的天文学家们陷入了一场危机,因为在计算机模拟得到的卫星星系理论数量以及实际观测到的卫星星系数量之间存在着显著的不对应性.当时科学家们在银河系周围发现了十几个卫星星系,但这与天文学家们引以为豪的宇宙学理论：冷暗物质模型得到的理论结果相差甚远.该理论认为暗物质是“冷的”：意思是暗物质粒子在宇宙中运行的速度是慢的( 当然这里说的慢是相对光速而言的).正是因为在早期宇宙时期这些粒子并没有做高速运动,因此这些粒子相互之间的引力作用能够使它们聚集成为体积较小密度较大的团块.这些质量团块产生的引力作用吸引周边的气体物质并最终导致了恒星的产生,由此终于形成一个矮星系.随着时间推移,这些矮行星之间有时候会相互合并,形成了类似银河系这样的大型星系.美国加州大学尔湾分校的天体物理学家詹姆斯·巴洛克说：“冷暗物质模型本质上指明了这样一个原则,那就是规模较小的结构会先形成,随后通过相互合并来形成规模更大的结构或者天体.”
如果这一观点是正确的,看到的宇宙中就应该是存在很多规模较小的团块结构,相比之下质量较大的团块结构就要少得多.到目前为止,该理论在对大质量团块的数量和质量预测上非常成功,这里所谓的大质量团块就是大型星系和星系团,但天文学家们目前还需要对该理论在小型星系或者矮星系方面应用的准确性进行检验.更为重要的是,这一理论如果正确,那就意味着在一些大型星系,比如银河系的周围空间里可能存在着数以千计,甚至数十万颗的矮行星正在围绕大型星系公转.当然对于那些遥远的大型星系来说,围绕它们运行的可能存在的矮星系就会显得太远、太暗,因此难以使用望远镜观测到.但即便是围绕银河系周围空间,天文学家们目前也只找到了数量相对来说非常少的卫星星系,这种理论与实际观测之间的明显不符合情况被称作“卫星星系失踪之谜”.
检验冷暗物质模型
20 年间,这种观测与理论之间的隔阂相对有所缓解,因为观测已经发现了数量更多的卫星星系.20 世纪中叶,天文学家们在银河系周围只发现了10 多个卫星星系,其余绝大部分的卫星星系一直没有被发现,直到最近10年才有较大的改观,因为现代化巡天计划的执行大大提升了卫星星系的发现效率.特鲁指出：“一些人在说：问题解决了.我们不需要对此感到担忧,那些卫星星系是存在的,问题只不过在于怎么找到它们.但我们现在面临的问题是,还没找到理论上应该可以找到的那数以千计,甚至数以十万计的卫星星系.”
如果卫星星系被证明是不存在的,那么冷暗物质模型理论将被证明是错误的,或者至少可以说是不完备的.巴洛克表示：“这也就是为何进行这样的预测是如此的意义重大,以及为何努力找到那些卫星星系的重要了——实际上你正在对冷暗物质模型进行一场检验.”当然还有另外一种可能性,并且这种可能性并不需要推翻或者改变冷暗物质模型模型：卫星星系的确存在,但因其中包含的恒星太少而无法被观测到.毕竟这一理论本质上预言存在的是一些非常暗淡,规模很小,甚至不包含恒星的物质团块,称为“子晕”.这也就是说,矮星系原本只应该是简单的子晕团块而已,其中可能会有少数的恒星形成.但至于其中会有多少恒星形成,则又是另外一个复杂的问题了.
检验冷暗物质模型(CDM) 的最直接方法之一,就是直接对这些团块结构进行观察,不管它们内部有没有恒星,但这样做的唯一途径就是对其质量对周边环境产生的引力效应进行观测,例如在银河系周围,如果观察到从一个卫星星系中被拉出的一串细细的恒星星流结构,可能就暗示着在其附近存在子晕团块,或者说卫星星系,不过,这样的星流结构罕见而昏暗,非常难以观察.赫萨维表示,在这样的情况下,唯一可能的方法就是观察它们的引力场可能对光线传播造成的扭曲,从而间接推断其存在.
引力透镜效应
经过一段时间的等待之后,赫萨维和其他天文学家们终于看到了A L M A 阵列拍摄的最初一批图像.正如传言的那样,ALMA 的确拍摄到了S D P81 的图像,可以观察到从这个星系变成了两个像火焰明亮的光弧.很显然,来自这个星系的光线被一个距离地球更近,因而位于我们观察视线前景位置的星系的引力场扭曲了.就像一个巨大的凸透镜,前景星系的引力场效应增强了S D P81 星系的亮度,将它的形状扭曲成弧形,并且将其影像撕裂为两半,而且此次拍摄到的图像分辨率与赫萨维在计算机模拟中得到的一样好.赫萨维回忆道：“那真是妙极了！对我来说,那真是一个激动人心的时刻.”
赫萨维知道,有了这样的高 分辨率图像,他将有机会搜寻其周围空间中隐藏着的子晕结构.如果有一个卫星星系存在于前景星系的周围,那么它的引力场会造成在前景星系对光线扭曲效应基础上的二次扭曲,但这样的扭曲将是极其微弱的,因此必须依赖于复杂的算法才能从中进行识别.其实在过去的一年里,赫萨维和他的同事们就使用专门技术对S D P81 星系的图像展开分析.通过将观测图像与他们的计算机模拟结果进行比对,他们能够推断出该星系周围是否存在卫星星系以及它的质量.很快他们便识别出一个子晕结构,其质量为太阳质量的10 亿倍左右.
尽管,这不是天文学家们第一次借助所谓引力透镜效应去搜寻子晕结构了,但这种最新研究的不同之处在于,其使用了强大的A L M A 阵列望远镜,其工作波段主要是在比红外光更长的波段区间.这一波段的辐射主要来自温暖的星际尘埃,它们遍布背景星系SDP81.这意味了ALMA 望远镜的观测视野中不会存在来自前景星系的明亮干扰,也因此能够让天文学家们得以对背景星系开展更加细致的研究和分析,并以前所未有的详细程度开展相关研究.另外一个关键方面是研究人员能够利用这一方法,对搜寻这一星系周围其他可能存在的更小子晕团块结构进行探查,那是冷暗物质模型预言存在,但尚未得到证实的重要线索.尤其是找出质量仅相当于太阳质量1000 万倍左右的小型子晕团块,这比他们实际已经找到的子晕案例的质量还要低100 倍.而A L M A 的首批图像质量如此优异,后续的观测也就非常值得期待了.未参与这项工作特鲁对此评论道：“这是一项巨大的计算机和科学技术组成是成就,使得事情开始变得更加有趣了.这是一项令人难以置信的杰出工作,现在终于开始得到回报.但这还只不过是开始.”温暖的暗物质？寒冷的暗物质？
之所以这样说, 是因为关于暗物质存在一些不同的理论,而这些理论对于这类小质量子晕结构的数量多少有着完全不同的预测.举例来说,如果暗物质是“温暖的”而不是“寒冷的”.那么从定义上说,这就意味着暗物质粒子在早期宇宙中运行的速度会比较快,也就难以聚集成为团块结构.因此,通过对当今宇宙中这类小型引力团块数量的统计,我们将能够推断暗物质究竟是“温暖的”还是“寒冷的”.巴洛克表示：“如果你发现这类暗物质团块的数量很多,那么这就相当于给温暖暗物质理论宣判了死刑.那将是冷暗物质模型正确性的确凿证据之一.”
为了搜寻到更多数量的子晕结构,天文学家们需要对更多的引力透镜星系进行观测,但这样的观测已经陷入停滞,他们只对很少几个案例进行了观测.好在这种状况可能很快就将得到改变.赫萨维表示：“我们感到兴奋的是,这是我们研究的引力透镜事件中,首次有观测图像的分辨率恰好与我们的模拟结果相类似的情况.当我第一眼看到那些美妙的纤细光弧,以及这个星系图像中显示的细微团块结构迹象时,我就知道这一定会非常有趣.”
就在几年之前,天文学家们仅仅掌握大约150 例引力透镜效应的案例,但这一数字目前正在快速增长.在最近几年里,赫萨维和同事们利用南极望远镜已经新发现了另外的超过150 个引力透镜案例,而利用其他望远镜预计也将能够找出另外的数百个新案例.与此同时,A L M A 望远镜则非常适合对这类目标进行高分辨率的后续观测工作.因此,赫萨维的研究组希望接下来能够利用这台新的强大观测设备对更多的引力透镜案例进行观察,并搜寻其周围可能存在的子晕团块结构.通过对尽可能多的星系案例进行分析,他们希望能够获得足够多的数据,能够解决所谓的“卫星星系失踪之谜”,从而大大加深我们对于暗物质本质的理解.巴洛克表示：“今天,我们将迎来这种方法的黄金发展期.未来几年将非常值得期待.”
新研究显示黑洞可能是二维平面黑洞可以说是宇宙中最神秘的天体了,因为它们的引力强大到连光都无法逃脱.但一项新研究显示,黑洞也许只是一个二维全息图而已.理论物理学家研究出了一种对黑洞事件边界之外的混乱状态进行估算的新方法,进而提出了上述观点.他们的计算显示,虽然这些强大的天体看似有三个维度,但它们事实上也许只是一个二维的投射图像.他们的研究结果与“宇宙全息假说”理论不谋而合.该理论认为宇宙也许是一个二维的平面,只是我们看不到而已.所有落入黑洞中的物体都会被完全包含在这个平面中.研究人员认为,他们的研究可以帮助科学家以全新的视角研究黑洞中的引力状态.慕尼黑普朗克理论物理研究所的物理学家达妮埃尔·普兰泽蒂表示：“与此前的研究工作相比,我们这次使用的模型更加完整,内容更加丰富,得到的结果也更具有现实意义.让我们解决了之前计算中出现的一些模糊不清的问题.”
为了更好地开展计算工作,研究人员利用了一种名叫量子引力的现象来分析黑洞中的熵（即混乱程度）.量子引力理论假定时空的结构由量子构成,在量子这么小的尺度上研究引力产生的效应.研究人员开展了一系列计算,对凝聚态的量子具有的引力效应进行了研究.这可以为科学家提供一种新的建模方法,根据黑洞产生的引力效应来分析黑洞的内部情况.普兰泽蒂博士说,他们的研究结果与宇宙全息假说相一致.这意味着,理解黑洞结构所需的全部信息实际上全都包含在了一个二维平面中,物理学家只需要弄清怎么翻译这些信息就行了.
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