操控宇宙的幕後黑手 | ||
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直到1998年，天文學家才發現，原來我們一直忽略了佔整個宇宙將近3/4的成份，也就是暗能量。為何花了這麼久的時間呢？這是一種未知的能量型態，環繞在周遭環境裡，一直輕輕地拉扯著我們，並且掌握了宇宙的命運，但我們卻渾然不覺它的存在。雖然，有些研究者早就預期到這種能量的存在了，但就算是他們也會告訴你，偵測到暗能量可以算是20世紀宇宙學最具革命性的發現之一。如果暗能量不僅是宇宙的主要成份，在時間的淬鍊下還能歷久不衰，那麼我們恐怕必須發展出新的物理理論，才能夠解釋它的存在。 要了解暗能量的本質與其意涵，還有很長的路要走，而科學家才剛啟程；不過有件事我們已經知道了：雖說暗能量的發現，是因為其對宇宙整體所造成的效應，但它很可能也形塑了恆星、星系與星系團等宇宙居民的演化樣貌，也就是說，天文學家數十年來可能一直注視著它的傑作，卻絲毫未曾察覺到它。 諷刺的是，暗能量如此難以發現的原因，正是它無所不在。暗能量與物質不同，它不會在空間中某處群聚成團，而是依據其特有的性質，均勻的四處散佈。在任何地方，不論是你家的廚房裡，或者星系際空間，它都具有相同的密度，約每立方公尺10-26公斤，相當於一把氫原子的質量。太陽系內所有的暗能量加總起來，質量約等於一顆小型的小行星，所以在行星的運行中，它根本是個微不足道的角色。只有當我們把眼光放遠到廣闊的時空尺度上，暗能量的效應才會凸顯出來。 從美國天文學家哈伯（Edwin Hubble）那個時代開始，觀測者就已知道，除了少數最靠近我們的星系外，大多數星系都以很高的速率在遠離我們，這個速率與距離成正比：離我們越遠的星系，就後退得越快速。這樣的模式表示，星系的移動並非如我們平日在空間中移動物體那樣直觀，還要考慮空間本身結構正在擴展而產生的影響（參見2005年4月號〈你也誤會了大霹靂？〉）。數十年來，天文學家殫精竭慮地想解答下一個隨之而來的問題：這膨脹速率會隨著時間如何改變呢？他們認為星系間彼此向內拉的萬有引力可以克服向外膨脹的效應，宇宙的膨脹速率應該會逐漸慢下來。 關於膨脹速率的變化，第一個明確的觀測證據來自遙遠的超新星，就像盯著浮木可讓我們測量河水的流速一樣，這種大型恆星的劇烈爆發，可以用來做為觀察宇宙膨脹的標示。觀測結果清楚顯示，現在的膨脹速率比以前快，所以宇宙正在加速膨脹；更確切的說，宇宙的膨脹確實曾經一度變慢，但在某個時刻經歷一段過渡期後，便開始加速了（參見延伸閱讀1與2004年3月號〈從減速到加速〉）。這個引人注目的結果，也已經與其他關於宇宙微波背景輻射的個別研究交叉檢驗過了，其中有些研究資料來自威金森微波異向性探測器（WMAP）。 有個可能的推論是，在星系以上的大小尺度與較小的尺度上，重力定律並不相同，所以實際上星系的重力並無法抵抗膨脹。但更廣為學者接受的說法是，重力定律仍普遍適用，不過有某種科學界前所未知的能量型態，足以反抗並壓制星系間的相互吸引力，促使它們更快速地分離，雖說在我們星系裡的暗能量無足輕重（更別提在你家廚房裡的了），但在宇宙中加總起來，卻是最強大的力量。 宇宙的雕塑家 當天文學家探索這個新現象時，他們發現暗能量除了決定宇宙整體的膨脹速率之外，在較小的尺度上也具有長期的效應。當你把對宇宙的觀測範圍縮小時，第一個會注意到的現象是，在宇宙尺度下，物質的分佈就像張蜘蛛網一樣——由數千萬光年長的細絲編織而成的網狀結構，中間穿插著一些大小相仿的網洞。電腦數值模擬顯示，要能解釋這樣的圖形，必須同時具備物質與暗能量。 |
這可不是什麼大不了的發現。這些細絲與網洞並不是行星那種有著緊密結構的物體，它們尚未從宇宙整體的膨脹中分離出來，其內部也還沒達到力的平衡，因此，它們的樣貌取決於宇宙膨脹（以及一切會影響膨脹的現象）和其本身重力的競爭。在宇宙中沒有任何一方能夠完全主宰這場拔河比賽：如果暗能量稍強一些，膨脹將會獲得勝利，使得物質擴張而無法凝聚成細絲狀結構；假如暗能量稍弱一點，物質將會比現在更加凝聚在一起。
當你繼續把範圍縮小到星系團與星系的尺度時，情況會變得更複雜。包括我們銀河系在內的所有星系，並不會隨著時間而膨脹，它們的大小取決於恆星、氣體和其他組成物質的角動量與重力間的平衡；只有從星系際空間吸積新物質，或與其他星系合併時才會成長。宇宙膨脹對於星系成長的影響微乎其微，因此，暗能量對於星系的形成，效應並不是那麼明確。
同樣的道理也適用於星系團，星系團是數千個星系的集合，因重力而束縛在一起，藏身於龐大的熱氣體雲內，是宇宙裡最大的聚合體。就在不久之前，許多有關星系與星系團形成的觀點還看似和暗能量毫不相干；但現在看來，暗能量可能是連結這些不同觀點的關鍵。因為這些系統的形成與演化，有部份是源自星系間的交互作用與合併，而這很可能正是由暗能量所主導。
要了解暗能量如何影響星系的形成，得先知道天文學家認為星系是如何形成的。目前的理論所根據的觀念是物質有兩種基本型態：第一種是普通物質，這種物質的粒子可以輕易的互相作用，假如帶電的話，還會與電磁輻射作用，由於它們主要是由質子與中子這樣的重子所組成，天文學家便稱它們為「重子物質」；第二種是暗物質（與暗能量截然不同），佔了所有物質總量的85%，特色是其組成粒子不會與輻射作用；但就重力的觀點而言，暗物質與普通物質的特性完全相同。
依據理論模型，暗物質在大霹靂後就立即開始聚集，形成天文學家稱為「暈」的球狀團塊。相反地，重子則因為粒子間以及輻射的作用，起初並不會聚集成團，仍保持在高熱的氣體狀態，隨著宇宙膨脹，氣體溫度下降，才能夠聚集。第一代恆星與星系就是在大霹靂數億年後，由這樣的冷卻氣體聚集而形成，它們的形成位置並不是隨意散佈在空間裡，而是集中在早已成形的暗物質暈的中心區域。
自1980年代起，有些理論學家便以詳細的電腦模擬來探究這個過程，包括德國甲慶的馬克士普朗克天文物理研究所懷特（Simon D. M. White）所領導的研究團隊，和英國德罕大學法倫克（Carlos S. Frenk）的團隊，他們的研究結果顯示，最初的結構大多數是些質量較低的小型暗物質暈。因為早期宇宙的物質密度頗高，這些低質量暗暈（以及它們所包含的星系）會彼此合併而形成質量較大的構造，依照這個方式，星系的建構可說是一個由下而上的過程，就像利用一堆樂高積木建造出一棟玩具房屋般。（相反的方式則是由上而下的程序，像是將玩具房屋給擊碎，拆成一塊塊的積木。）我和同事則藉由觀察遙遠的星系以及它們如何在宇宙中合併，來檢驗這些模型。
為何星系漸漸不再形成？
詳細的研究指出，星系在與其他星系合併時會發生形狀扭曲的現象。我們所能看到最早的星系，大約在宇宙年齡10億歲時就已存在，其中有許多星系的確正在合併；但是，隨著時間的演進，大型星系合併的事件就不再盛行了。在大霹靂後20~60億年間（也就是宇宙歷史的前半段），大型星系的合併率從50%驟降到接近零，從那時起，星系外形的分佈比例就固定下來了，可見星系的互撞與合併已經相當罕見。
事實上，今日宇宙中98%的大型星系，不是橢圓形就是螺旋形，它們的外形在發生合併的時候會崩解變化。這些星系很穩定，大多由年老的恆星組成，這告訴我們，它們必定很早就已形成，而且保持規則的形狀已經有很長一段時間了。有少數星系至今仍在合併中，但通常是質量較小的星系。
宇宙在現在年齡的一半時便開始顯露疲態，合併現象的中斷並不是唯一的跡象：恆星形成率也同樣衰退了下來。在1990年代有許多研究團隊率先證實：今天仍存在的恆星，大多誕生於宇宙歷史的前半段。這些團隊的領導人包括了當時加拿大多倫多大學的黎利（Simon J. Lilly）、美國航太總署太空望遠鏡科學研究所的馬道（Piero Madau）與加州理工學院的史泰德爾（Charles C. Steidel）。最近，研究人員已經明白這種趨勢是如何發生的。原來，大型星系內的恆星形成活動很早就停止了，當宇宙年齡是現在的一半時，只有質量較小的系統仍以顯著的效率持續生成恆星，恆星形成區的此種遷移現象稱為「星系小型化」（參見2005年2月號〈宇宙的中年危機〉）。這似乎有點矛盾：星系形成的理論預言小型星系會先成形，當它們相互合併之後，才會出現大型星系；但是恆星形成的歷史看來卻順序相反：恆星誕生的主要地點一開始是大型星系，然後才輪到小型星系。
另一件怪事是，常見於星系中央的超大質量黑洞，其成長似乎已大幅減緩。這樣的黑洞是類星體和活躍星系的能量來源，在現代宇宙裡的數量非常少；我們星系和其他星系裡的黑洞則是不活躍的。這種種關於星系的演化趨勢是否相關？暗能量是否真是這一切現象的根源？
站上主宰的位子
有些天文學家認為星系內部的某些過程，例如黑洞及超新星的釋放能量，是星系與恆星停止形成的原因，但現在暗能量浮上了檯面，它似乎是連結這所有事情的更基本原因，主要的證據是當大部份星系與星系團停止形成的時間點，約略與暗能量開始主宰宇宙的時期相符，兩者都發生在宇宙大概是現在年齡的一半之時。
概念是這樣的：在宇宙歷史上的那個時期，物質的密度很高，因此星系間的重力作用足以超越暗能量造成的效應；星系比肩接踵，相互作用而且經常合併。當星系內的氣體雲互相碰撞時，新恆星便誕生了；若氣體被捲入這些系統中央，黑洞就會成長。隨著時間的演進，空間膨脹，物質逐漸稀薄，重力因而減弱，但暗能量的強度卻維持不變（或幾乎不變），兩者間難以維持穩定的平衡狀態，最終造成膨脹從減速轉為加速，於是，星系所在的結構被扯開，導致星系的合併比率逐漸降低，星系際氣體也變得較難墜入星系中。喪失了糧食，黑洞當然變得平靜許多。
這一連串的事件，或許可用來解釋星系族群的瘦身現象。質量最大的暗物質暈與置身其中的星系，往往也是最能聚集成群的；它們與其他的大型暗暈相距甚近，因此比質量較小的系統更容易撞進鄰居家裡，撞進去的時候，恆星形成率開始暴增。新形成的恆星先是發出光亮，然後爆炸殞命，加熱其周遭氣體，使氣體無法收縮形成新恆星，這樣一來，恆星的形成本身反而是扼殺恆星形成的兇手：恆星加熱了它們賴以生成的氣體，進而阻止其他新恆星的誕生。這類星系中心的黑洞，則扮演了另一個抑制恆星形成的角色；星系合併時會把氣體餵入黑洞，使黑洞發射噴流，加熱系統中的氣體，阻礙其冷卻，也因此無法生成新的恆星。
顯然地，大型星系裡的恆星形成活動一旦停止，就無法重新開始，這很可能是因為這些系統中的氣體已經消耗殆盡，或變得太熱而無法快速冷卻下來。這些大型星系仍可與其他星系合併，但由於缺乏低溫氣體，以致於不易形成新恆星。雖然大型星系失去了活力，但較小的星系卻持續合併，並製造新恆星，結果就像觀測到的現象一樣，大星系比小星系早定型。暗能量或許是經由衡量星系群聚的程度與合併比率，來調控這個過程。
【請參閱科學人2007年3月號〈操控宇宙的幕後黑手〉】
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