子剛

直到1998年，天文學(xué)家才發(fā)現(xiàn)，原來我們一直忽略了占整個(gè)宇宙將近3/4的成分，也就是暗能量。暗能量不僅驅(qū)趕著宇宙膨脹，星系形狀與星系間的距離也控制在它的手里。

宇宙的雕塑家

當(dāng)天文學(xué)家探索暗能量時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)暗能量除了決定宇宙整體的膨脹速率外，在較小的尺度上也具有長(zhǎng)期的效應(yīng)。當(dāng)你把對(duì)宇宙的觀測(cè)范圍縮小時(shí)，第一個(gè)注意到的現(xiàn)象是，在宇宙尺度下，物質(zhì)的分布就像蜘蛛網(wǎng)一樣，是由數(shù)千萬光年長(zhǎng)的細(xì)絲編織而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，中間穿插著一些大小相仿的網(wǎng)洞。電腦數(shù)據(jù)模擬顯示出，要想形成這樣的圖形，必須同時(shí)具備物質(zhì)與暗能量。

這可不是什么大不了的發(fā)現(xiàn)。這些細(xì)絲與網(wǎng)洞并不是行星那種有著緊密結(jié)構(gòu)的物體，它們尚未從宇宙整體的膨脹中分離出來，其內(nèi)部也還沒達(dá)到力的平衡。因此，它們的樣貌取決于宇宙膨脹（以及一切會(huì)影響膨脹的現(xiàn)象）和其本身重力的競(jìng)爭(zhēng)。在宇宙中，沒有任何一方能夠完全主宰這場(chǎng)拔河比賽：如果暗能量稍強(qiáng)一些，膨脹將會(huì)獲得勝利，使得物質(zhì)擴(kuò)張而無法凝聚成細(xì)絲狀結(jié)構(gòu)；假如暗能量稍弱一點(diǎn)，物質(zhì)將會(huì)進(jìn)一步凝聚在一起。

當(dāng)你繼續(xù)把范圍縮小到星系團(tuán)與星系的尺度時(shí)，情況會(huì)變得更復(fù)雜。包括我們銀河系在內(nèi)的所有星系，并不會(huì)隨著時(shí)間而膨脹，它們的大小取決于恒星、氣體和其他組成物質(zhì)的角動(dòng)量與重力間的平衡；只有從星系際空間吸積新物質(zhì)，或與其他星系合并時(shí)才會(huì)成長(zhǎng)。宇宙膨脹對(duì)于星系成長(zhǎng)的影響微乎其微，因此，暗能量對(duì)于星系的形成，效應(yīng)并不是那么明確。

同樣的道理也適用于星系團(tuán)。星系團(tuán)是數(shù)千個(gè)星系的集合，因重力而束縛在一起，藏身于龐大的熱氣體云內(nèi)，是宇宙里最大的聚合體。就在不久之前，許多有關(guān)星系與星系團(tuán)形成的觀點(diǎn)還看似和暗能量毫不相干，但現(xiàn)在看來，暗能量可能是聯(lián)結(jié)這些不同觀點(diǎn)的關(guān)鍵。因?yàn)檫@些系統(tǒng)的形成與演化有部分源自星系間的交互作用與合并，而這很可能正是由暗能量所主導(dǎo)。

要了解暗能量如何影響星系的形成，得先知道天文學(xué)家認(rèn)為星系是如何形成的。目前的理論所依據(jù)的觀念是物質(zhì)有兩種基本形態(tài)：第一種是普通物質(zhì)，這種物質(zhì)的粒子可以輕易地互相作用，假如帶電的話，還會(huì)與電磁輻射作用，由于它們主要是由質(zhì)子與中子這樣的重子所組成，天文學(xué)家便稱它們?yōu)椤爸刈游镔|(zhì)”；第二種是暗物質(zhì)（與暗能量截然不同），占了所有物質(zhì)總量的85%，特色是其組成粒子不會(huì)與輻射作用。但就重力的觀點(diǎn)而言，暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的特性完全相同。

為何星系漸漸不再形成？

詳細(xì)的研究指出，星系在與其他星系合并時(shí)會(huì)發(fā)生形狀扭曲的現(xiàn)象。我們能看到的最早星系，大約在宇宙年齡10億歲時(shí)就已存在，其中有許多星系的確正在合并，但是，隨著時(shí)間的演進(jìn)，大型星系合并的事件就不再盛行了。在大爆炸后20億～60億年間（也就是宇宙歷史的前半段），大型星系的合并率從50%驟降到接近零。從那時(shí)起，星系外形的分布比例就固定下來了，可見星系的互撞與合并已經(jīng)相當(dāng)罕見。

事實(shí)上，今日宇宙中98%的大型星系，不是橢圓形就是螺旋形。它們的外形在發(fā)生合并的時(shí)候會(huì)崩解變化。這些星系很穩(wěn)定，大多由年老的恒星組成。這告訴我們，它們必定很早就已形成，而且保持規(guī)則的形狀已經(jīng)有很長(zhǎng)一段時(shí)間了。有少數(shù)星系至今仍在合并中，但通常是質(zhì)量較小的星系。

另一件怪事是，常見于星系中央的超大質(zhì)量黑洞，其成長(zhǎng)似乎已大幅減緩。這樣的黑洞是類星體和活躍星系的能量來源，在現(xiàn)代宇宙里的數(shù)量非常少（我們星系和其他星系里的黑洞則是不活躍的）。這些關(guān)于星系的演化趨勢(shì)是否相關(guān)？暗能量是否真是這一切現(xiàn)象的根源？

站上主宰的位子

有些天文學(xué)家認(rèn)為，星系內(nèi)部的某些過程，例如黑洞及超新星的釋放能量，是星系與恒星停止形成的原因。但現(xiàn)在暗能量浮上了臺(tái)面，它似乎是聯(lián)結(jié)這所有事情的更基本原因，主要的證據(jù)是大部分星系與星系團(tuán)停止形成的時(shí)間點(diǎn)，與暗能量開始主宰宇宙的時(shí)期大致相符，二者都發(fā)生在宇宙是現(xiàn)在年齡的一半之時(shí)。

概念是這樣的：在宇宙歷史上的那個(gè)時(shí)期，物質(zhì)的密度很高，因此星系間的重力作用足以超越暗能量造成的效應(yīng)，星系比肩接踵，相互作用而且經(jīng)常合并。當(dāng)星系內(nèi)的氣體云互相碰撞時(shí)，新恒星便誕生了；若氣體被卷入這些系統(tǒng)中央。黑洞就會(huì)成長(zhǎng)。隨著時(shí)間的演進(jìn)，空間膨脹，物質(zhì)逐漸稀薄，重力因而減弱，但暗能量的強(qiáng)度卻維持不變（或幾乎不變），二者間難以維持穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，最終造成膨脹從減速轉(zhuǎn)為加速，于是，星系所在的結(jié)構(gòu)被扯開，導(dǎo)致星系的合并比例逐漸降低，星系際氣體也變得較難墜入星系中。喪失了“糧食”，黑洞當(dāng)然變得平靜許多。

暗能量也能解釋星系團(tuán)的演化。在宇宙還只有不到現(xiàn)有年齡一半以前，當(dāng)時(shí)就已存在的古老星系團(tuán)，其總質(zhì)量與今日的星系團(tuán)相當(dāng)。也就是說，在過去的60億～80億年間，星系團(tuán)的質(zhì)量實(shí)際上并未增加。這個(gè)停滯的現(xiàn)象暗示了宇宙在現(xiàn)有年齡的一半時(shí)，星系便不再凝聚成團(tuán)了，這是暗能量在大尺度上影響星系交互作用的直接證據(jù)。天文學(xué)家早在20世紀(jì)90年代中葉就已經(jīng)知道，在過去的80億年里星系團(tuán)成長(zhǎng)不多，他們將這些現(xiàn)象歸咎于宇宙的物質(zhì)密度比理論估計(jì)的低許多，而暗能量解決了觀測(cè)和理論間的矛盾。

牽一發(fā)而動(dòng)全身

由暗能量主導(dǎo)宇宙的加速，是個(gè)合理的解答，它可以解釋星系族群里產(chǎn)生的所有已觀測(cè)到的變化，也就是星系合并的中斷和伴隨而來的必然后果，例如喪失形成恒星的活力，并終結(jié)星系形態(tài)的變換。假如沒有暗能量，星系合并的活動(dòng)可能會(huì)持續(xù)得更久些，那么今天的宇宙里將存在著更多由古老恒星所組成的大型星系。同樣，宇宙中低質(zhì)量系統(tǒng)的數(shù)目會(huì)更少，而像銀河系這樣的螺旋星系數(shù)量將會(huì)稀少許多（假設(shè)螺旋星系無法在合并過程中保存下來）。星系的大尺度結(jié)構(gòu)可能會(huì)束縛得更為緊密，而且會(huì)發(fā)生次數(shù)更多的結(jié)構(gòu)合并與吸積。

相反，如果暗能量的強(qiáng)度比現(xiàn)在更大，宇宙中的星系合并事件會(huì)減少，使大型星系與星系團(tuán)的數(shù)量更少。由于在時(shí)間的長(zhǎng)河里，星系間較少發(fā)生合并，星系團(tuán)的質(zhì)量將不會(huì)那么高，甚至不會(huì)有星系團(tuán)存在，因此螺旋星系與低質(zhì)量的不規(guī)則狀矮星系會(huì)變得更普遍。同時(shí)，恒星的形成數(shù)量可能比較少，使得宇宙里處于氣體狀態(tài)的重子質(zhì)量比例較高。

雖然這些過程似乎離我們相當(dāng)遙遠(yuǎn)，但星系的形成方式其實(shí)也影響我們的存在。只有恒星才能制造出比鋰重的元素，而那些重元素則是建構(gòu)類地行星與生命的必需材料。假如恒星形成率太低，就無法制造出夠豐富的這類元素，那么宇宙將不會(huì)有這么多行星，可能也就不會(huì)演化出生命。因此，暗能量可能對(duì)宇宙里許多不同且看似毫不相干的事物有著深遠(yuǎn)的效應(yīng)，甚至影響了地球的歷史細(xì)節(jié)。

暗能量當(dāng)然尚未完成它的工作。它看來似乎對(duì)生命有益：宇宙加速將可以避免天文學(xué)家不久之前還在擔(dān)憂的事情——宇宙最終會(huì)崩塌。但暗能量也帶來其他的風(fēng)險(xiǎn)，至少，它驅(qū)趕遙遠(yuǎn)的星系，使它們后退得太快而永遠(yuǎn)消失在我們的眼前，我們的星系和鄰居的周遭逐漸清空，把我們遺留在日益孤寂的島上；星系團(tuán)、星系甚至飄浮于星系際空間的恒星，終將遭禁錮于極有限的球狀區(qū)域，其重力可及的范圍將不超過它們本身的大小。

更糟的情況是，暗能量可能還在繼續(xù)演化。有些模型預(yù)測(cè)，如果暗能量隨著時(shí)間而成為永遠(yuǎn)牽制一切的力量，它將會(huì)撕裂像星系團(tuán)和星系這樣的重力束縛系統(tǒng)，最后，地球也會(huì)被扯離太陽，地球上的萬事萬物都將一起被撕成碎片，甚至連原子也難逃毒手。曾一度躲在物質(zhì)背后的暗能量，終將執(zhí)行其最后的復(fù)仇。

（張小寧 插圖）