我们都可能经历过这种倒霉的事儿:刚才它还在你眼前,然而你转个身后回来再找,它却不见了!“它”可能是钥匙、遥控器之类的东西。
天文学家也经历了类似的事情——一转眼,宇宙中一半的普通物质就找不到了!看起来很不可思议,但这就是当前天文学家们遇到的怪事儿。那么,这究竟是怎么回事?
失踪的另一半
当前,天文学家可通过观测宇宙微波背景辐射来得出宇宙各种成分的含量——宇宙大约是由4.9%的普通物质、26.8%的暗物质和68.3%的暗能量构成。
宇宙微波背景辐射大约是在宇宙大爆炸之后38万年形成的。上面的含量应该针对那时候的宇宙。但天文学家认为,到今天,宇宙各种成分的含量应该没有改变。
天文学家们统计了我们所能观测到的所有普通物质,包括构成恒星、行星、黑洞、气体和尘埃等的物质,他们却得到了一个令人惊讶的结果:我们找到的普通物质大约只占了宇宙总量的2.5%。大约有一半的普通物质丢失了。
天文学家们估算出失踪的时间大致在宇宙最初的几十亿年里。那时,一半的普通物质在宇宙中稳定下来,形成了恒星和星系,另一半却失踪了。
当然,失踪只是一种通俗的说法。这些物质并不是真的从我们的宇宙中消失了,它们肯定在某个地方。那会在哪里呢?寻找它们,可能是历史上最大的一场“捉迷藏”。
失踪者的身份特征
幸运的是,这起失踪案有着一些有用的线索。首先,失踪的物质当然是无法直接看见的。事实上,人类肉眼只能看见宇宙非常少的一部分。即使有着强大的天文望远镜,太空中的绝大部分我们也是看不到的。
宇宙大部分的地方都令人难以置信的冷,温度只比绝对零度高3摄氏度左右。这些寒冷的物质辐射出的光频率很低,只处在微波范围内。经过几十年的技术进步,现在的天文学家们已经充分了解了微波范围下的宇宙。所以,失踪的物质肯定不是冷的。
宇宙的另一个极端,是极热的物质,它们会辐射出紫外线、X射线。但我们当前的观测技术还很落后,还没能充分了解此波段下的宇宙,尤其是X射线波段。也许,失踪的物质就是能辐射出X射线的物质?如果真的是这样,那么它们的温度能达到数百万摄氏度,大致与太阳的日冕(太阳大气的最外层)温度相当。
另外,失踪的物质得是稀疏地分布在宇宙中,否则我们早就发现它们了。那么,炽热且稀疏的物质会是什么呢?在过去的几年中,天文学家们已经开始推测,它们可能离我们很近,也许就在银河系等星系的周围。
变为星系的大气?
在星系中,一些星际气体中的粒子可能会逐渐冷却下来,聚集在一起,形成星云,坍缩为恒星等天体。而另一些粒子会在星系强大的引力作用下,不断地加速,速度加快,温度也随之提高,它们可能会被加热到数百万摄氏度,辐射出X射线,并远离星系中心。
然而,星系的引力还想把这些炽热的粒子拉回来,但这些粒子本身的热量却驱使它们远离星系。最终结果是,星系周围弥散着热气体晕。类似于地球周围包裹着一层大气,这些热气体晕可以被看作星系的大气。
一些天文学家认为,失踪的物质可能就是这些热气体晕。虽然我们可能无法直接看到它们,但是我们应该能够观测到它们产生的影响。
从遥远的星系传过来的光会穿过银河系的热气体晕,而其里面的粒子会吸收特定波长的光线。通过这个现象,天文学家可以揭示热气体晕的成分和温度。来自美国密歇根大学的乔尔·布雷格曼和他的同事就一直盯着来自宇宙深处的光线,希望它们能揭示出银河系到底包含多少无形的热气体晕。
他们的初步观测结果显示,我们银河系周围的确包裹着一层大气,总体的质量与银河系中明亮的部分相当,然而它们分布的空间范围却是银河系体积的数千倍。
不过,这里仍有问题。他们的研究结果显示,现在整个宇宙尺度下,热气体晕只能解释部分的失踪物质。剩下那部分仍不知所踪。布雷格曼等人认为,剩下那部分可能是离星系更远的热气体晕,只需要我们继续认真观测,就能发现它们。
?跑到了巨洞那里?
来自美国哥伦比亚大学的夏伊·杰内尔却不认为失踪的物质变为了星系的大气。他认为,失踪的物质可能离星系非常远,大约在数百万光年之外。
我们知道,星系不是孤立地分散在宇宙之中,它们会成群地聚集在一起,组成星系团,许多个星系团再组合成超星系团。超星系团以及周围的暗物质、星际气体形成一种如细丝串成的网状结构,这就是所谓的宇宙网。宇宙网中,细丝之间则存在着巨大的空洞,即巨洞。通常认为,巨洞那里的物质密度只有我们在地球上制造出的“真空”的几亿分之一。
也许,失踪的物质跑到巨洞那儿去了。那么,是什么力量把物质从宇宙网上推走,送入数百万光年远的巨洞中?
杰内尔认为,是星系中心的超大质量黑洞把一些物质吹到那里的。在过去的5年里,杰内尔参与了“揭示计划”——一个国际合作项目,使用计算机来模拟宇宙从大爆炸到星系形成的过程。借助全球的超级计算机网络,“揭示计划”成为了我们模拟出的最接近现实的宇宙。“揭示计划”的一个强大之处在于,你可以调整任何过程中的物理参数,然后得到相应的结果。例如,你可以调整关于黑洞行为的参数,看会产生什么样的宇宙。
杰内尔最初的目标是为了研究星系如何诞生和灭亡的,但是在试图调整参数,使得模型与现实尽可能相似时,杰内尔和他的同事惊讶地发现,黑洞可以足够强,能把大量的物质吹进巨洞。
黑洞是宇宙大炮?
我们倾向于认为,黑洞是吞噬周围一切的漩涡,而不是宇宙大炮。但是,其强大的引力场使它们成为了宇宙中最有效的能量输出装置。星系的物质落向黑洞时,它们会高速绕着黑洞旋转,在黑洞周围形成一个圆盘状的吸积盘。吸积盘内侧的一些粒子速度可能会接近光速,它们有机会沿着与吸积盘垂直的方向喷射出去,逃离黑洞。这些逃离的粒子构成了一股喷流,能冲出星系。在某些情况下,它们还会冲出星系团,奔向远处的巨洞。
但这里仍有些问题。“揭示计划”的模拟结果显示,黑洞如果真的有能力把物质吹到巨洞那里,那么它们的“火力”可能过强了,能把星系中大约90%的普通物质都吹跑。在过去一年中,研究团队一直在调整参数,使得模拟结果更接近现实,即只吹走50%左右的普通物质。
如果事实果真如此,那么不仅说明巨洞那里有着丢失的物质,而且黑洞还在不停地向那里泵入更多的物质。
我们已经知道,因为有暗能量的存在,宇宙在加速膨胀。在数十亿年之后,宇宙中的星系团内部和彼此之间的距离会越来越远。但如果黑洞还在不停地吹跑星系内的物质的话,那么星系团土崩瓦解的速率会更快。我们的宇宙未来可能会更加黯淡。
当然这只是计算机模拟的结果,我们需要对其进行检测。当前,能检测到X射线的太空望远镜的灵敏度有限。不过,欧洲航天局和美国宇航局都准备在十几年后发射更为先进的X射线太空望远镜。到那时,我们就可能知道,失踪的物质究竟是变为了星系的大气,还是真的被黑洞吹跑了。