國家天文台副研究員李然：繪製暗物質宇宙

國家天文台副研究員李然

新浪財經訊 CC講壇第十八期於2017年5月1日在北京大學醫學部躍進報告廳舉行，國家天文台副研究員李然出席並發表演講。

地球、銀河系、各種星系團……所有可見的物質僅佔到宇宙質量的17%，其他都是暗物質。天文學家如何繪製這個「看」不見的暗物質宇宙？

以下為演講實錄：

李然：天文學家乾的事情對大家來說可能就是去拍一拍我們的星空，所以讓我們用一張漂亮的星空的照片來開始我們今天的演講。

在這張圖片中，我們展現了一個距離銀河系最近的星系團，它的名字叫做「后髮座」星系團。什麼是星系團？我們的銀河系是一個星系，我們的太陽是銀河系千億顆恆星中普通的一顆。在天空中會有這樣的地方，很多的星系聚集起來成為了一團，你會看到在這張圖片中有很多這種橘黃色的橢圓的天體，它們都是跟銀河系一樣璀璨的星系。

為什麼它們會聚集在一起？科學家認為是因為引力把它們束縛住了，這些星系互相吸引使得它們聚在這裡不會逃跑。但在1933年的時候，加州理工大學的一位科學家，他叫弗里茲·茨威基，他告訴我們，你看到的這些星系只是這些星系團裡邊包含的物質很少的一部分。在這樣一個璀璨的星繫世界背後，實際上隱藏著一個更大的黑暗世界。他是怎麼發現這件事情的？他就測量了這個星系團里每一個星系的運動速度，他發現它們的運動速度太快了。什麼叫太快了？我們在地球上，地球的引力束縛住我們，所以我們不會飛到太空中去。我們的地球有很多人造衛星，那地球的引力束縛了這些人造衛星，使得它們只能夠在軌道上面轉動，而不會飛到太空深處。但如果我們去踢這些衛星一腳，給它們一個很高的加速度，那麼它就會脫離地球的束縛，飛到宇宙的深處。

所以茨威基在1933年的時候，發現在我們的這個星系團中，每個星系的速度似乎都非常的大，即使你將這個星系團裡邊所有能夠產生引力的物質，所有這些你可以看見的恆星加在一起，你這個引力還是不夠束縛住它，所以星系團應該早就散掉了才對。那是什麼使它們聚集在一起呢？茨威基猜想說這裡邊有很多你看不見的物質，他給它們起了個名字叫暗物質。

這些物質的量必須是可見物質的十倍才能夠使得這個星系團里的星系束縛在一起。

那麼1933年的時候，茨威基在美國是一個富有激情，給出了非常多有趣的科學想法，但是做出了更多荒謬預言的科學家，所以直到60年代之前，人們一直對他的預言將信將疑。但隨著時間的推進，人們發現暗物質在宇宙的不同地方實際上都存在。當人們去看一個跟我們銀河系一樣的星系的時候，他們去測量這些星系裡面的恆星是如何繞著星系中心轉動的，他們就發現在星系的外圍，他們猜想這些恆星的轉動速度應該是像這條紅線一樣，但實際上他們測出來的星系的轉動在星系的外圍卻非常的高，是由這條藍線來描述的。這些恆星也跑得太快了，在星系裡面也必須有很多你看不見的物質去提供引力，才能夠束縛住這些恆星。那麼今天我們天文學家大概對暗物質的存在已經不太存疑，我們知道它占我們宇宙組分的83%。

那麼重要的是，如何繪製出來它們的地圖？如何在宇宙中找出來它們的分布？那麼這樣的一件事情就是我和很多跟我一樣的天文學研究者做的事情。怎樣去找它們？因為它們不發光，你看不見它們，所以你唯一能夠探測到它們的方式就是通過它們的引力效應。什麼叫引力效應？你能不能束縛住星系這就是一個引力效應。

但是茨威基他當年提出了一個更好的方法，我們要通過引力對光線的偏折來找到它們，就是要通過引力透鏡的方法來找到暗物質。在我們的生活中我們看到很多光線偏折的現象，我們有凸透鏡、凹透鏡，它們都能夠彎折光線。我們放一杯水，將一個筷子插在水中我們就看到筷子彎折了。

在我們的宇宙中也有很多可以偏折光線的實物，那就是我們的天體。根據愛因斯坦的廣義相對論，只要有物質的地方空間就會發生彎曲。那麼當遙遠的宇宙中天體發出來的光，經過這樣彎曲的時空，我們就會看到它的圖像發生了改變，本來它的位置應該是在這個圖的左邊。光線被彎曲以後，由於我們的人眼總是去追蹤光線的反向延長線，所以我們會覺得這個天體的位置實際上在右邊。那在宇宙中，我們再繼續想一下，如果在遙遠的天體，遙遠的宇宙中有一個天體發出光線，那在它跟我們之間如果存在另外一個有很多質量的天體的話，那會出現什麼情況？光線會從四面八方都發生彎折，從不同的路徑進入到地球人觀測者的眼中，那這個時候你看到的就不只是這一個天體，它的位置移動了，而是你會看到它在天上變成了一個光環。我們的眼睛總是追蹤光線來的方向，所以會覺得這一個天體在空中變成了一個光環，這就是引力透鏡現象。這個光環有時候被稱作「愛因斯坦環」。所以引力透鏡並不是一個儀器，並不是一個我們放在地面上的儀器，而是我們利用宇宙中的天體去觀測更遠處的宇宙這樣的一種方式。

在我們的宇宙中是不是真的存在愛因斯坦環？答案當然是肯定的。在這張圖片中我們看到哈勃望遠鏡拍攝的高解析度圖像中有一個非常漂亮的愛因斯坦環的圖像，這個藍色的環像戒指一樣圍繞著這個金色的星系，實際上這個藍色的環是遙遠宇宙中的一個正常的星系，它之所以變得這麼扭曲，是因為這個金色星系的引力場彎曲了它的光線。我們還可以看到更多的樣本。茨威基當年說的是對的，當我們拿出一個星系團，我們在星系團裡面能夠找到很多這種扭曲的圖像，那麼這些圖像是什麼？它們看起來並不像是一個正常的星系，但是它們確實是一個正常的星系，這是因為它們在距離星系團更遠的地方，所以當我們透過星系團去觀察它們的時候會覺得它們被扭曲得很厲害。

今天天文學研究者就是通過去研究這些扭曲圖像的位置和它們扭曲的程度，從而知道暗物質是如何在宇宙中分布的，可以通過這樣的扭曲和這樣的圖像去建立出星系團中暗物質的分布。比如說在這樣的圖像中，我們用白色的霧狀的筆觸描繪出了星系團暗物質應該分布的地方。我們會發現暗物質跟星系一樣，在星系團中，在星系聚集的地方就更多一些，在星系團的外圍在圖像的邊緣處它就顯得更少一些。那麼為什麼暗物質總是跟著星系走？實際上這個問題是倒過來的。如果我們想像一下在這個宇宙中有80%多的物質都是暗物質，只有百分之十幾的物質是可見物質的話，我們就會意識到實際上是可見物質在追著暗物質走。

這是一個宇宙學數值模擬，也就是說我們在計算機中追蹤宇宙是如何演化的，這個數值模擬被稱作「鷹數值模擬」。在圖像的左側是宇宙初始時候的樣子，而在宇宙的右側是宇宙今天的樣子。在這張圖片中越亮的地方說明那裡的暗物質越多，而越暗的地方說明那裡是不存在物質的空洞。所以我們可以看到在宇宙早期，宇宙裡邊的物質分布是很均勻的，但是隨著宇宙的演化，由於物質和物質相互之間的引力作用，密的地方會變得更密，疏的地方會變得更疏。所以我們既出現了這種非常亮的星系團，也出現了這種巨大的空洞。而剛才在我們所有圖片中看到的那種璀璨的橫亘百萬光年的星系團，在這樣一張宇宙的圖像上實際上僅僅是宇宙中就是圖像中最亮的那些小的亮斑，所以我們就可以意識到我們的宇宙是多麼廣大的一個世界。

那麼星系在哪裡？在宇宙初始的時候，我們的宇宙中是沒有星系的，只有氫原子氦原子構成的氣體，它們會受到暗物質的結構的引力，落到暗物質引力場的中間在那裡形成恆星、形成星系，所以今天我們的宇宙是由暗物質構成了骨架，而星系被暗物質包裹於其中。

那麼很多朋友聽到這裡可能就會有點擔心了，我們的宇宙中有這麼多的物質，是不是說我們看到的所有的東西都已經被引力透鏡扭曲了？當你們看一下我背後的時候是不是你們已經看到了一個扭曲的世界？而我穿過你們看到的是另外一個不同的世界？這是一個非常好的問題答案。當然是的。但是不管是我還是大家質量都太小了，不足以扭曲我們生活中的光線。所以你們看到我背後的圖像雖然受到了非常微弱的引力透鏡效應，受到了我的引力透鏡效應，但是它幾乎沒有發生什麼改變。在我們的宇宙中也是一樣，在我們的宇宙裡邊大多數的地方是空洞的，只有少數地方聚集著物質，所以當遙遠的天體也就是這個圖像中藍色的遠處的星系它們發出的光線穿過宇宙時，雖然它不斷地受到引力透鏡彎折的效應，但是最終這個彎折效應的總和是比較弱的，所以我們僅僅看到星系的圖像變得更橢了一點或者變得更圓了一點。

但這些事情對宇宙學家是非常非常好的事情，通過測量遙遠星系的形狀，今天的宇宙學家就有可能還原整個宇宙中的暗物質分布。有些地方星系更橢，我們就會知道那裡的暗物質可能更多，有些地方的星系看上去它們的分布是隨機的，那麼說明那裡可能是一個空洞。有了這樣的方法我們就好像有了一個掃描儀，可以去掃描我們整個宇宙物質究竟是如何分布的。

當我們談到這裡，實際上我們還沒有認真的談過什麼是暗物質？什麼是「暗」？在我們生活中看到很多暗的東西，我站在這裡，後邊光線沒有照到的地方對我來說就是暗的。在夜裡，我們拉開窗帘看一下外邊的世界，它也是黑暗的。但那種黑暗並不是真正的黑暗，我們拿一束手電筒就可以照亮它。暗物質不發出任何的電磁波，不發出光線，它也不會反射光線，它不會和我們的可見世界發生任何的相互作用，或者只發生非常有限非常微小的相互作用。什麼意思？如果我將一團暗物質放在這個講台上它並不會停在這個講台上，而會穿過我們的講台掉入地心。那麼究竟是什麼樣的粒子構成了暗物質？今天我們還不知道這樣的答案。

但是我們在宇宙中卻發現了很多暗物質這種穿牆術的例子。比如在宇宙中經常上演著星系團和星系團相撞的戲碼。星系團中有什麼？星系團中有星系有暗物質還有熱氣體，在這張圖片中，兩個星系團相撞，我們用紅色畫出了星系團中的熱氣體，我們可以看到在圖片的右側有一個像子彈一樣的物體，那是一團熱氣體。通過碰撞穿過了星系團左側的另一團熱氣體，在這樣的過程中，這團氣體的速度就減緩了，但暗物質不和熱氣體、不和可見的世界發生相互作用，所以當我們用藍色的霧狀的筆觸描繪出暗物質的時候，我們發現它反而跑的比熱氣體還要更快了。在這張圖片中，最右側的那團暗物質它本來的位置實際上是和那個子彈在一起的。但經過了碰撞，它反而飛得比那個子彈型的熱氣體團塊還要快，充分地說明了暗物質它確實是暗的，不僅僅是我們沒有看到的可見世界，而是一個真正的跟我們可見世界完全不同的世界。

今天在我們的地球上很多的科學家試圖用探測器來直接探測到暗物質，比如上海交大領導的PandaX計劃。他們試圖在山腹中去放置一些探測器，我們的地球浸泡在宇宙中，所以暗物質當然也會來到地球。當暗物質來到地球的時候，它是和很多其他的宇宙中的高能粒子一塊來到地球的，它們會穿過這個山體，絕大多數的高能宇宙射線就會被這個山體擋住，但暗物質它因為有穿牆術，所以它可以穿過山體一直到山腹中。這個有探測器的地方，它有非常非常小的幾率能夠跟探測器裡邊的液體氙發生相互作用，而在這樣的過程中我們有可能看到一道輝光。如果誰能夠看到這道輝光，他就抓住了暗物質的尾巴。但是今天我們的世界上有很多這樣的探測實驗，我們還沒有真正的找到暗物質的蹤跡。

那天文學家怎麼去看這件事情？地面上既然我們一時沒有頭緒，我們是不是可以到天上去試試找這件事？那麼朋友們可能會疑惑，一個粒子，它是一個什麼東西？它是一個非常小的，對不對？質量也很小的東西。而我們天文上的結構總是這種非常巨大的，上百萬光年的結構。但有趣的是，經過我們的理論研究我們發現，粒子的性質如果不同，它構造出來的宇宙也是不同的。

在這樣的圖像中我們展示了三組宇宙學數值模擬，都是在計算機中模擬出來的宇宙的樣子。這裡邊標著熱暗物質的模擬，這裡邊的暗物質它的粒子質量很輕，而標著冷暗物質的這個模擬，它裡邊粒子的質量非常的重，不同的粒子質量就會產生差別很大的結構。如果我們生活在一個冷暗物質構成的宇宙中，我們的宇宙會存在非常多這種細小的纖維狀結構，也會存在很多的這種小型的團塊，而在熱暗物質中卻不存在這個事情，非常有意思。

但在我們的生活中其實有類似的現象。我們走在大街上，普通人不會關注到我們的樓是由什麼樣的材料構成的。但是建築家會告訴你這個樓是全鋼結構的，那個樓應該是磚混結構的。他們會意識到一個物體它的外觀、它的高度、它的形態是和材料的微觀性質緊密相連的。所以暗物質也是一樣，如何去區分不同的暗物質模型？我們只要對宇宙中的暗物質進行繪圖，就可以做到了。而這就是我和我的團隊在最近幾年裡邊致力要完成的事情。那這件事情非常的困難，所以我們依然在進展當中。

我們所希望做到的事情就是去觀察宇宙遙遠處的天體，如果這個天體的圖像被引力透鏡扭曲了，那麼它的光線會從四面八方到達我們地球觀測者的眼中，而如果在路徑上面這些光線碰到了很多暗物質的小團塊，那麼這些小團塊會在我們看到的已經扭曲的圖像上附加一個更加微小的扭曲，那麼這個更加微小的扭曲如果被我們探測到，我們就可以知道我們的宇宙究竟是平滑的，還是包含了非常多細小的結構，非常複雜的。那將讓我們知道宇宙究竟是冷暗物質構成的還是熱暗物質（或溫暗物質）構成的。用這樣的方法，我們可以幫助地球上面做實驗的同行們去區分很大一類的這個暗物質的模型，幫助他們更好地完成他們直接探測暗物質的實驗。

那麼講到這個地方差不多我今天的演講就基本上要結束了，但是我們這個需要回答的一個還沒有解答的問題是，為什麼我們要研究暗物質？這件事情對我本人來說其實並不是一個問題，因為作為一個科學研究者，當你發現這個世界80%的物質都是跟你生活中的物質完全不一樣，而是一個黑暗的世界，是一個未知世界的時候你的好奇心天然的就被激發了。

但同樣這也是一個很有意思的問題。那我們整個的人類社會為什麼會關心暗物質存在這件事情？我對後邊這個問題實際上並沒有很深刻的答案，因為科學工作者做的事情只是事情的第一步，我們找到暗物質，我們找到它們在哪裡，我們告訴大家它們是什麼。也許有一天我們能夠了解它的方方面面將它寫入教科書，而從那時起這樣的一個問題就會是整個人類的問題，是向每一個人去思考暗物質究竟對我們有什麼用？我們能夠用它來完成什麼樣的事業？這就好像在哥倫布發現美洲的時候，他並不會意識到未來的美洲將會發展成什麼樣的文明；發明互聯網的人也不會意識到，今天我們手中的手機是如何聯通了我們的這個世界。那麼今天我們這些研究暗物質的人，也不會想到有朝一日暗物質的秘密完全被揭開以後它會產生什麼樣的作用。那樣的一個問題將會是我們在座的每一位朋友需要回答的問題。謝謝大家！

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