第二章　不断进化的新生宇宙

1．暴胀之后的宇宙

经过暴胀之后的宇宙就像上面最后的球面一样，因为它膨胀到了如此巨大的地步，我们所能观察到的宇宙仅仅是整体的极其微小的一部分，所以只能够测量出它的局部性质。因此可以得出这样的结论，即我们看到的宇宙是平坦的。在这个巨大的宇宙中我们无法获知自己观测范围之外的几何学是什么样子的。不管在宇宙中可能存在多少种几何学，暴胀说明了为什么我们看到的宇宙是平坦的。

上面的三个问题被暴胀设想利落地解决了，其代价是引入了一个我们知之甚少的、神秘的、暂时的加速，也许当我们对大爆炸本身有了更为深入的了解之后会有其他的答案，但在目前阶段暴胀不失为一个很好的解释。

在暴胀之后，宇宙以一个较低的速度继续膨胀和冷却。大爆炸后3秒，温度降低到约10亿开。宇宙中3/4的物质是氢，其余几乎都是氦。氦原子有2个电子，环绕着由2个质子和2个中子组成的原子核。

大爆炸理论预言每有10个质子，即10个氢原子核，就会相应地产生1个氦原子核。现在氢和氦的比例依然是10比1。这可能是对大爆炸理论最为简明有力的验证。恒星将氢转化为氦，所以我们可以预料氦的比例会有所提高。如果我们在宇宙某处发现了一个孤立的物体，其中氦的含量比预计的低，那就必须开始彻底地重新考虑我们的理论。到目前为止还没有发现这种情形。

所以我们是否相信大爆炸？它的主要竞争对手--稳恒态理论看上去已经寿终正寝了。现在，大爆炸占据了舞台。必须记住，理论是无法证明的。我们只能够尽力使其与所有的已知事实相符。带有暴胀的大爆炸理论看起来满足这个要求。但是，任何时候都有可能冒出新的发现，使我们看到原有理论的致命裂痕。不过在一个新的牛顿或者另一个爱因斯坦变出另一套更好的理论之前，我们还要和大爆炸待在一起。

2．超大质量的黑洞

我们到达了宇宙演化史上出现能够实际看到的分立天体的时间点。甚至在最早的恒星出现之前，物质收缩形成星系的过程就已经开始。哈勃太空望远镜的深空图像揭示出大爆炸后7亿年时的星系景象--它们看上去与在我们附近的天体不同。许多都较小，而且有各式各样奇怪而美妙的形状，有些里面还有大质量黑洞。占主导地位的是神秘的类星体，现在知道这种能量源是非常活跃的星系核，其光度等效于几千个银河系。因为它们如此明亮，所以可以从很远的地方看到，也就是可以追溯到宇宙相当年轻的那些日子。

在这些星系的中心，甚至在很早的阶段就存在着数百万太阳质量的超大质量黑洞。就像我们前面提到过的，它们可能直接由坍缩的气体形成，也可能是大质量恒星的残余又吸附了大量的额外物质而形成的。无论如何，这一尺寸的黑洞其引力都十分巨大，能够吸引庞大数量的物质。

看来在星系形成的早期，当恒星刚开始形成时，有大量的尘埃和气体存在。这些物质的存在为黑洞提供了燃料，并向内旋转形成圆盘状。这时，它所发出的光线分成多个束流，当我们沿着其中一束的方向看过去时，就看到了被称作类星体的威力巨大的信标。在宇宙演化的这个早期阶段，这些原始星系之间的碰撞是很平常的。而当两个星系合并时，新的物质被吸入一个或几个黑洞中，类星体发出闪亮。实际上，所有大质量星系，包括我们的银河系，在演化过程中都经历过类星体的阶段。而近来对某些类星体的研究发现，在其他方面它们就是普通星系。当燃料最终耗尽时，星系就稳定下来。

这个在地球轨道上运行的天文台将望远镜指向了一块以前从未引起过任何兴趣的天空。长达100万秒（略长于11天）的极端长时间曝光使得来自最暗弱天体的光线也能积累到可被探测到的水平，将这块似乎空无一物的天区变成充满成千上万个星系的地方。图中每一个斑点都代表一个背景星系，而不是背景恒星。并且尽管有少量较近的星系看上去完全平常，大多数则是小很多，暗很多，且明显怪很多。即使根据直观印象也能得出一些结论。例如，颜色发红的星系是最远的，因为红移很大。所以我们可以把这些探测到的天体按照大致的演化顺序分类排列。

通过观察这些最早的星系并尝试以上的分析，可以获得对今天星系如何形成的深入认识。我们不再认为每个星系都是相互隔绝地形成的，否则，在超深空照片中，较大的“普通”星系应该少些。根据模拟结果提出的新的图景是：早期的坍缩会导致较小的结构，然后再经过一系列的碰撞合并形成较大的系统。在可观测宇宙最远古的区域里的这些大量的小星系正是这一过程的原料。探测到的这些星系为这一理论增加了砝码。在超深空视野照片中所看到的正是建造我们所熟悉的现代宇宙的砖石。这一进程甚至可能仍在继续，近年来我们已经认识到银河系也是一个吞食同类的巨物，因为天文学家观测到它正在把一些矮星系撕裂。

这些小系统环绕大星系运动，但渐渐地被拉了过来。最终它们的轨道变形到经常穿越大星系的星系盘。而每次穿越都会被大星系夺走气体和尘埃。经过这样的几个回合，小星系彻底丧失了自己，成为更大的系统的一部分。这就是等待银河系最显着的两个伙伴--大小麦哲伦云的命运。

哈勃太空望远镜拍摄的美丽的超深空视野照片，在它的继任者出现之前可能一直是独一无二的。图中那些星系的异常颜色体现出我们所掌握的、本书中心议题的最根本的证据，这就是宇宙确实在膨胀。这众多天体的不同颜色代表着不同的红移。天体越红，看上去就离开我们越快。我们看到的光线在大爆炸后7亿年--宇宙年龄的5%--时就离开了它们。通过对地基望远镜获得的这些星系的谱线位置的分析，已经证实了这一点。

贯穿这一时期，这些结构还是通过自身引力造成的物质收缩来形成，就像在黑暗（或昏暗）时期那样。这当中也包括最后形成银河系的种苗。银河系的大小超过了平均值，但也不是非常特别。它相当于1000亿个太阳的质量，但赶不上邻近的仙女座旋涡星系。本星系群也不是特别突出，其他的星系群要庞大得多。平均在6000万光年处的室女座星系团包括1000多个星系。

3．黑洞存在的证据

天文学家们报告说，他们首次发现了“事界”存在的直接证据---虽然“事界”是物理学领域最怪诞的概念之一。视界实际上就是黑洞的边缘，任何物质都有可能落入它的非常明晰边界，物质或能量一旦落入这种有去无回的黑洞，就会永远从宇宙中消失。当然，迄今无人能对这个问题作出确切的解释，但是理论学家们推测，落入黑洞的物质和能量会在宇宙的其他地方重新出现，也许会在其他宇宙出现。

马萨诸塞州坎布里奇哈佛--史密森天体物理学研究中心的拉姆什。纳拉扬领导的研究小组发现了温度超过1万亿华氏度的气体落入一个黑洞中，这是迄今在宇宙中发现的温度最高的气体。

天文学家们说，他们的发现是对认为存在黑洞的理论相当有力的支持。黑洞是由密度极大的物质的坍塌构成，其引力巨大，任何物质甚至连光也都无法逃逸。

科学家们曾经在很长时间里认为黑洞只不过是个奇特的数学问题。然而近年来，诸哈勃望远镜等新型观测仪器获得了一系列有说服力的证据，证明黑洞确实存在。就连以前对此持怀疑态度的一些人也说，如今大约有95％的专家们已经接受黑洞存在的理论。

密歇根大学的道格拉斯。里奇斯通领导的一个国际专家小组今天发表的另一项报告说，新近发现的3个黑洞是目前仍在进行的对银河系附近的其他星系开展研究所取得的初步成果。他们说，此项研究成果是迄今获得的越来越多的证据中的又一重要内容。迄今获得的证据包括：黑洞在宇宙中大量存在，并在宇宙的演化过程中发挥着重要作用；黑洞以不同的面积、类别、时间和距离分布在从地球所在4的银河系到目前所知的最遥远的宇宙的范围内。

这个小组发现的黑洞使目前的黑洞总数达到11个。他们利用哈勃望远镜和设在夏威夷的天文望远镜观测过往的星球和物质因受到黑洞的巨大引力的影响而突然加速的现象。

他们发现的这3个黑洞的质量约相当于5000万至5亿颗太阳（另外一些黑洞的质量估计相当于数十亿颗太阳）。其中两个黑洞位于狮子星座，另外一个黑洞位于室女星座。这3外黑洞与地球的距离都在5000万光年以内。天文学家们说，他们对银河系附近的27个星系进行的研究取得的初步结果表明，几乎所有的星系都有可能存在着超级黑洞。

里奇斯通领导的天文学家小组利用数颗X射线卫星收集到的数据对距离地球约1万光年、位于天鹅星座的V404Cyg双星系进行了研究。那里一个据认为是黑洞的密度极大的物体正把其伴星吸引过去。

纳拉扬说，他和普林斯顿高级研究所的一位同行运用新近创立的一种模式对物质可能落入黑洞进行研究。根据这种模式，物质在被黑洞吸引过去的过程中，在温度逐渐增高的同时仍然保留着它的全部能量，即不是释放能量，而是变得越来越热。

天文学家们说，利用这种模式可以对以前观测到的许多难以理解的现象作出解释。纳拉扬说，利用这种模式还可以对黑洞和其他物体加以区分。

4．我们的星系：银河系

年轻的星系中储备有大量的气体和尘埃，可以转变成恒星。这些星系的光芒主要发自明亮年轻的蓝色恒星，看上去和我们的星系--一个非常正常的旋涡星系很相似。在讨论其他星系之前，有必要详细地了解一下银河系。我们知道它是旋涡状的，其中心距离我们26000光年。整个系统的总直径超过10万光年，看上去像一个双凸透镜（或两个背靠背叠在一起的煎蛋）。沿着这个系统的平面望去，可以看到许多星星几乎排在一条线上，形成了从太古时代起就被称为银河的横跨夜空的壮丽的光带。中心核球（煎蛋蛋黄）的直径约2万光年。平面之外离开星系盘，在我们称之为银晕的地方有巨大密集的球状星团和许多流浪的恒星。

银心不易看到，因为中间有太多遮蔽的物质。但是射电波和X射线则不受阻碍。银河系中心位于人马座的繁星之后，其精确位置是人马座A*（读作人马座A星），是一个很强的射电源。在中心区有盘绕的尘埃云和能量巨大的恒星组成的星团。在很靠近真正的中心的地方有一个260万倍太阳质量的黑洞。其证据来自星表编号为S21、质量是太阳15倍的一颗恒星。长期的跟踪研究发现它在围绕着一个中心天体以15.2年的周期运动。它离中心天体最近的距离只有17光时（光速×小时），已经贴近黑洞“事件边际”的边缘。在那个界限之内，任何东西都无法逃出。它绕行的速度是惊人的每秒5000千米。从它运动的方式可以推断出中心天体的质量。这一质量是如此巨大而又局限在如此狭小的体积内，除了黑洞，别无可能。

星系在旋转。太阳大约要用2.25亿年转完一周。这一周期通常叫做宇宙年。在一个宇宙年前，地球上最高级的生命形式是两栖动物，甚至恐龙都还没有出现。设想一下一个宇宙年之后的地球是什么样子将是十分有趣的。我们在离星系主平面不远处运动，并刚刚离开其中一条旋臂--猎户臂。所以我们现在位于一个相对空旷的区域。

5．宇宙中的旋涡星系

许多星系是螺旋状的，除了唯一一个令人困惑的反例之外，所有的旋臂都由于星系的旋转而呈现拖尾状。现在认为旋臂是由回荡在系统内的压力波造成的，里面的某些区域里星际物质的密度比平均值要高，这将引发恒星的形成。最容易看到的恒星质量很大，以宇宙学的标准来看，在它最终爆炸成超新星前的寿命是较短的。但它们明亮的光芒使得旋臂变得明显。当压力波扫过后，激烈的恒星形成过程停顿了，这个旋臂变得不那么突出。而扫荡的压力波又会造就一条新的旋臂。如果这种图景是正确的，那么在几千万年的时间里，我们的银河系仍会有旋臂，只是这些旋臂是由另外的恒星构成的。

支配星系旋臂的物理学规律可用一个日常的问题来类比，就是交通拥堵。想象一下M25--伦敦的环路--上的交通，所有汽车都以几乎相同的速度前进，但是如果道路较挤，一辆车稍微减速就会让它后面的车排起队来。这正是聚集在环绕星系核心的旋臂上的气体或尘埃的情况。每辆具体的汽车只会在有限的时段里成为拥堵的一员，而之后仍会在环路上继续前行。但拥堵会持续下去，只是换成了后面跟上来的车辆。

通过多普勒效应，我们已经测量出很多星系的旋转。如果一个旋涡星系正在旋转，那么在一侧的所有物质将朝向我们运动，而另一侧的所有物质将远离我们（当然要排除星系自身的整体运动）。这种运动将表现在谱线的位置上，所以可以据此测量出旋转的速率。而星系旋转的一个奇怪的特征还具有更深刻的意义。

6．宇宙中神秘的暗物质

在我们太阳系中，行星绕日公转的速度随着它们到太阳距离的增加而减少，因为离太阳越远，引力越弱。顺理成章地，同样的规律也应该体现在旋转的星系上。靠近中心的星的运动应该比远离中心的星的运动快得多。然而天文学家惊奇地发现，不是这么回事。远处恒星的宇宙年比预计的要短，所以旋臂不会很快地卷绕起来。星系的情况似乎介于太阳系和一个刚体之间。刚体的情况像一个旋转的自行车轮子，在车轴附近的一块泥点的移动比在车圈上的移动慢得多，但两者用同样的时间走完一周。

如果星系里的恒星像行星环绕太阳那样简单地围绕着一个中心质量旋转，就无法解释这种奇怪的现象。唯一可能的答案是这个系统的质量并不是集中在中心或中心附近，而是分布在整个星系盘和星系的外侧。最有可能的解释是存在分布在整个星系晕内的暗物质。暗物质完全不可见，只有万有引力才能泄露它们的所在。

暗物质是否就是普通的物质？比如大量非常暗弱的低质量恒星，除非它们按照宇宙标准来看聚集得很近，否则我们将无法看到。当然恒星的数量是很多的，最新的估计是在可视宇宙中恒星的总数达到7×1022个，但似乎它们的总质量也无法与暗物质总量相匹配。

这些质量是否有可能被禁锢在黑洞中了？我们可以计算现已掌握的这类质量，发现还是远远对不上。史蒂芬·霍金曾预言存在地球质量级别的黑洞，但还从未发现过。曾经看起来更有希望的一种方案涉及中微子--没有电荷的快速粒子，不易检测但数量极其丰富，在驱动恒星的反应中大量产生。每秒钟有数千个中微子穿过我们的身体，如果中微子具有一点质量，那么就可以为暗物质提供一种解释。与几年前相比，现在我们对此有了更深入的了解：尽管中微子不是完全没有质量，但它的质量远不够解决这一问题。

我们还剩下两种选择。一是暗物质可能是由现在还未知的基本粒子构成，每个质量很小，但数量足够多，可以解释这种差异。这种假设的粒子叫做弱相互作用重粒子，即WIMP。而粒子物理学已经对它们应该是什么样子给出了具体的预言。另一种解释是暗物质由普通物质构成，以暗弱而大质量天体的形式存在，例如行星，或棕矮星一类的小恒星。对这类称为大质量致密晕族天体，即MACHO的探测已经在进行，据信它们潜伏在大质量星系的星系晕中。探测已经取得了一些积极的结果，现在我们在等待发现一个经过的WIMP。然而事情并未就此完结。

7．黑洞，一个单向的旅程

这种最初的电离相当不合逻辑地被称为“再电离时期”，它的产生还有另一个可能的原因。包括我们星系在内的几乎每一个星系，其中心都有一个大质量黑洞。黑洞是大质量恒星坍缩的产物，它的引力是如此之强，即便光也无法逃离出来：它的逃逸速度太大了。逃逸速度的概念一目了然，就是一个物体要脱离某个质量更大的物体的重力场时，所必须具备的速度。最终，一个坍缩恒星的逃逸速度会达到每秒300.000千米，即光速。光是宇宙中最快的，而当光都无法再从那里传出，那么在这个古老恒星的四周就会形成一个禁区，没有任何东西能从那里逃逸。当然我们无法直接看到黑洞，因为它根本不发出任何辐射。但我们可以确定它的位置，因为能够探测它对其他天体的引力效应，例如当黑洞是双星系统的一个成员时。

结果是黑洞与其周围被割裂开来。因为任何辐射都无法逃出，所以我们没有办法探索其内部，而只能猜测里面的情况。如果掉落到黑洞里自然是有去无回，所以我们强烈地建议不要这样做。科学家们创造了一个新词叫“抻面条”来形容这个过程，相信任何人想到这点就都不会贸然前往了。

黑洞通常是由大于太阳质量8倍的恒星坍缩形成的，而在星系中心，等于数百万个太阳质量的巨大黑洞可能另有来历。这些庞大的黑洞可能是在宇宙非常早期的阶段形成的。如果这样，那么第一缕光线可能还不是由恒星发出的，而是物质掉落进黑洞时被加热的结果，这也足以造成普遍的电离。如果是这种情况，那么这些黑洞依然存在着，在目前仍然隐藏在星系的中心。现在还不清楚，这两种可能的再电离机制中到底是谁在起作用。我们必须对这个时期有更多的了解，才有可能平息这场争论。

8．相对论——观测者的指南

黑洞的物理学通常是用广义相对论的语言来描写的，所以值得花点时间做些了解。根据爱因斯坦的理论，两个拥有各自独立的参考系的观测者，当相对加速（或减速）时，它们的时标无法保持一致。换句话说，我觉得经过了10秒钟，而如果你正在加速离开我，那么会感到只过去了6秒钟。

人们首先会想到“哪个人是正确的”，然后去检查时钟是不是被动了手脚。然而相对论明白无误地告诉您，两者都是对的，这里面没有人施展诡计。不同观测者的时间确实在以不同的速度流逝。不过一些常识性的原则被保留下来。例如两人观察到的事件发生的顺序是一致的。故而尽管可能其中一人看到A在B之前一分钟发生，而另一人看到A和B同时发生，任何人不可能看到B先于A发生。所以因果关系保持不变。但许多其他我们认为是理所当然的常识都不再成立了。

为什么在日常生活中从未经历过这种类似悖论的事情？为什么我们从未见过时钟在以不同的速率走动？答案是，我们很幸运没有生活在黑洞附近。在没有极端的加速度，或接近光速的高速，或非常巨大的质量聚集在一起的条件下，这些改变微乎其微，牛顿的运动定律可以很好地得到符合。爱因斯坦并没有去证明牛顿错了，而是扩展了牛顿的思想，使之在更为极端的情况下依旧准确。

黑洞除了对时间的流逝有如此作用外，相对论还告诉我们巨大的质量是如何影响周围的空间的。相对论难于理解的原因之一是其数学框架是四维形式的：三个我们所熟悉的空间维度加上一个时间维度，空间和时间不再独立存在。为相对论提供了大部分数学架构的闵可夫斯基曾这样说道：单独的空间和单独的时间消失得无影无踪，而这两者的复合体开始大放异彩。

如何去想象一个四维的球体？我们都不能。但可以通过只考虑两个维度来对它的特性有所认识。把时空想象成一条四角拉紧的平展的床单。现在在中间放上一只圆球或其他重物，床单就会变形。就像理论告诉我们质量使得时空扭曲一样。穿越这个畸变时空的光线，其路径也会被扭曲。在一个大质量黑洞附近，这种效应会强大到使一个观测者在某个合适角度能同时看到周围星盘的正面和反面。

9．暗能量的产生原因

什么是暗物质？暗物质（包括暗能量）被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90%（暗物质加暗能量90%）以上的物质含量，而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到（约5％左右）。1957年诺贝尔奖的获得者李政道更是认为其占了宇宙质量的99%。暗物质无法直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明。几十年前，暗物质（darkmatter）刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。

大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。在引入宇宙膨胀理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是一个平行空间，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团以及星系长城。而在大尺度上能够促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景（CMB）中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动（涨落），为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。"大爆炸"初期暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果。但是如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者，由其导致的结构形成，以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。

暗物质存在的证据

最早提出证据并推断暗物质存在的科学家是美国加州工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基。2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E0657-56进行观测，无意间观测到星系碰撞的过程，星系团碰撞威力之猛，使得黑暗物质与正常物质分开，因此发现了暗物质存在的直接证据。

首次捕获暗物质粒子

最新发现：美国科学家在地下废弃铁矿中捕获暗物质粒子暗物质的电脑模拟图

低温暗物质搜寻项目（CDMS），旨在使用探测器探测粒子间的互动，找到暗物质粒子引起的运动。美国科学家在位于加利福尼亚大学校园的隧道里的实验室2009年检测到了两种可能来自于暗物质粒子的信号。但他们同时表示，这些信号与暗物质粒子的相似度不高。他们在明尼苏达州的Souden煤矿地下约714米处安装更高级的实验室设备，以进行二期低温暗物质搜寻项目（CDMSⅡ）。暗物质现象会被进入地球的宇宙射线干扰，要减少宇宙射线μ介子粒子的背景信号影响，唯一的办法是一道地底深处，这样才有把握确认暗物质的构成。2009年12月21日，科学家在Souden煤矿中发现暗物质，这是迄今为止最有力的发现暗物质证据。其他实验也在探寻来自暗物质的信号，比如地下氙（Lux）实验。美国费米太空望远镜则试图定位暗物质，寻找其在空间湮没（暗物质发生碰撞时，两个粒子将生成可以被探测器接收到的γ射线）的证据，但目前没有任何发现。

中国暗物质研究基地

央视消息：中国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”于2010年12月12日在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用，锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米，是目前世界岩石覆盖最深的实验室。它的建成标志着中国已经拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台，能够自主开展像暗物质探测这样的国际最前沿的基础研究课题。目前，清华大学实验组的暗物质探测器已经率先进入实验室，并启动探测工作，而明年上海交通大学等研究团队也将进入这里开展暗物质的探测研究。

地下实验室在隧道里

在建设二滩水电站过程中，四川锦屏山底曾修建了18公里可以通行汽车的隧道，上面是2500多米厚的山体岩石。这些平常的隧道，在那些苦苦寻找实验环境的宇宙学研究者眼里，却成了“香饽饽”。上海交大今年2月刚成立的粒子物理宇宙学研究所，就相中了锦屏山隧道作为地下实验室的建设地点。这里将成为研究所成立后首个实验的开展地，专门“搜捕”暗物质。目前这里是世界上最优越的探测暗物质的环境。之所以称之为最优，据交大物理系主任、粒子物理宇宙学研究所所长季向东介绍，该实验室利用的是当地建水电站时修的地下隧道，在其侧面开挖长40米，宽、高各为6米的空间。因而与国外一些“脱胎”于矿井的地下实验室相比，使用更为便利，不必坐着电梯上上下下，乘坐汽车就能“入地”。而埋深2500米的隧道，更是难得，因为埋得越深，宇宙射线的干扰就越少。今年年底，地下实验室基本结构将由二滩公司建成；明年，清华、交大将共同对实验室作内部装修，预计明年年底建成。

“地下工作”并无不适交大粒子物理宇宙学研究所特别研究员倪凯旋是暗物质探测国际合作项目XENON的交大组负责人，也是该实验数据分析组组长。在去年的一年里，他曾在意大利著名的GranSasso实验室工作。GranSasso实验室建在地下1400米，也是基于地下隧道建造的，在全球的地下实验室中，空间是最大的。那里，有十几个大大小小的实验同时在进行，有探测暗物质的，也有探测中微子等的。“从地面上开车大概20分钟，就能到达地下实验室。”倪凯旋还记得第一次“入地”的感觉。戴上安全帽、穿着硬底鞋，进入实验室，入眼是各种仪器设备。“那里四季恒温，冬暖夏凉，不需要用空调。唯一与地面实验室不同的是，那里没有窗户，刮风下雨丝毫感觉不到，进去久了也容易让人搞不清外界是白天还是黑夜。”“地下工作”时间久了，人是否会有不适？“地下实验室的通风设备很好，丝毫不会感到气闷，人在下面呆个半天，不会有任何异样的感觉。”倪凯旋说，一旦仪器运行稳定后，他只需在地面上的办公室监控探测器运行即可，而地下实验室的所有数据也会传送至地面，因而，科研人员无需24小时“守”着探测器。

“捉拿”暗物质很不易让不少人难以理解的是，暗物质在宇宙中，科学家为啥要“钻”到地下去探测呢？这是因为暗物质是种颇有“个性”的粒子，它质量很大，但作用力却微乎其微。“每天可能有几万亿个暗物质穿过你的身体，但你却感受不到，这是因为暗物质的散射截面很小。”倪凯旋打了一个比方，就像一只足球能被球网挡住，但是一个小铁球就能穿网而过，就是因为它的截面比球网的网格小。如何“网”住暗物质？科学家们也想了很多办法。最初的办法是天文观测法，但是，却无法解答“暗物质是什么”。后来，人们又采取间接探测和直接探测的办法。前者，是探测暗物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号，一般通过地面或太空望远镜探测；后者，则是用原子核与暗物质碰撞，探测碰撞产生的信号。而在地面上，因为宇宙射线众多，这些信号会对直接探测产生干扰，影响其鉴别能力。因此，地下实验室可以帮助探测器“挡”去干扰，让其“静心”工作。

两个实验组确认入驻锦屏山的地下实验室是中国首个地下暗物质探测实验室。它建成后，为中国科学家挑战世界级科研难题提供舞台。到目前为止，上海交大、清华两个实验组已确认将入驻地下实验室。两个实验组的探测方式并不相同。交大将使用液氙探测器在此开展暗物质的直接探测，清华将采用低温半导体开展探测。至于探测到暗物质之后能派上什么用场，这对科研人员来说，仍是未知数。“粒子物理探求的是物质最深层次的奥秘，对未来的生活会发生怎样的影响，我们现在还不得而知。就像电被发明时，人们尚无法想象后来的电视、电脑。但无论如何，每一个科学发现都使人们对物质世界的认识更进一步，这是最了不起的事。”季向东说

暗物质候选者

长久以来，最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子，只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。由于成团过程发生在比哈勃视界（宇宙年龄与光速的乘积）小的范围内，而且这一视界相对现在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多，质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大，这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构，而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系，定性上这是与观测相一致的。相反的，对于相对论性粒子，例如中微子，在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点。无碰撞指的是暗物质粒子（与暗物质和普通物质）的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方，并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。

低温无碰撞暗物质

低温无碰撞暗物质（CCDM）被看好有几方面的原因。第一，CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二，作为一个特殊的亚类，弱相互作用大质量粒子（WIMP）可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱，那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后，由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计，这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是，在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。

中性子

其中一个候选者就是中性子（neutralino），一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到），同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺，于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且，大部分超对称伴随粒子是不稳定的，在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是，有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意，这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。

轴子

另一个候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态，现在已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。

新机制解释暗物质与可见物质起源

提出新机制的研究小组包括美国纽约布鲁克海文国家实验室和英属哥伦比亚大学的科学家，研究发表在最近出版的《物理评论快报》上。他们称这种新机制为“原质起源论”（hylogenesis）。英属哥伦比亚大学克里斯·西格森说：“我们正在努力把理论物理中的两个问题一起解释。这一机制将原子形成和暗物质联系在一起，有助于解开重子不对称的秘密，作为对整个暗物质加可见重子的平衡宇宙的一种重建。”根据研究人员构建的机制，在物质形成景象中，早期宇宙产生了一种新粒子X和它的反粒子X-bar（带等量相反电荷）。X和X-bar在可见部分能结合成为夸克（重子物质的基本组成，如质子和中子），在“隐匿”部分组成了粒子（由于这种粒子可见部分的相互反应是微弱的），如此，在大爆炸开始后的第一时刻，宇宙膨胀变热时会有X和X-bar产生。随后，X和X-bar会衰变，部分变成可见的显重子（尤其是中子，由一个上夸克和两个下夸克组成），部分变成不可见的隐重子。据科学家解释，X衰变成中子的频率比X-bar衰变成反中子的频率更高，同样地，X-bar衰变为隐反粒子的频率比X衰变为隐粒子的频率要高。夸克形成的重子物质组成了我可见物质，隐反重子形成了我们所说的暗物质。这种阴—阳衰变方式使得可见物质的正重子数量和暗物质的负重子数量达到平衡。英属哥伦比亚大学特里姆研究中心的肖恩·图林说：“可见物质和暗物质的能量密度非常接近（1/5的不同）。在许多情况下，在广大宇宙的早期，生成可见物质和暗物质的过程是互不相关的。于是，这1/5的因素要么是早期出现的一个大偶然，要么是两种物质共同起源的重要线索。我认为，这为构建可见物质与暗物质起源的统一模型提供了主要依据。”物理学家预测，这种物质形成机制将为寻找暗物质提供一个全新途径，它们会留下一些可在实验室探测到的特征标记。科学家解释说，当暗物质反粒子和一个普通原子粒子相撞而湮灭时，就会产生爆发的能量。尽管这非常稀有，但在地球上寻找质子自发衰变的实验中，能探测到暗物质。在天体物理学观测和离子加速器数据中，也可能会出现其他原质起源的信号。研究人员表示，今后也会在研究中考虑这些可能性。

CCDM存在问题

天文学家看好CCDM

由于综合了CCDM，标准模型在数学上是特殊的，尽管其中的一些参数至今还没有被精确的测定，但是我们依然可以在不同的尺度上检验这一理论。现在，能观测到的最大尺度是CMB（上千个Mpc）。CMB的观测显示了原初的能量和物质分布，同时观测也显示这一分布几近均匀而没有结构。下一个尺度是星系的分布，从几个Mpc到近1000个Mpc。在这些尺度上，理论和观测符合的很好，这也使得天文学家有信心将这一模型拓展到所有的尺度上。

不一致性

然而在小一些的尺度上，从1Mpc到星系的尺度（Kpc），就出现了不一致。几年前这种不一致性就显现出来了，而且它的出现直接导致了"现行的理论是否正确"这一至关重要的问题的提出。在很大程度上，理论工作者相信，不一致性更可能是由于我们对暗物质特性假设不当所造成的，而不太可能是标准模型本身固有的问题。首先，对于大尺度结构，引力是占主导的，因此所有的计算都是基于牛顿和爱因斯坦的引力定律进行的。在小一些的尺度上，高温高密物质的流体力学作用就必须被包括进去了。其次，在大尺度上的涨落是微小的，而且我们有精确的方法可以对此进行量化和计算。但是在星系的尺度上，普通物质和辐射间的相互作用却极为复杂。在小尺度上的以下几个主要问题。亚结构可能并没有CCDM数值模拟预言的那样普遍。暗物质晕的数量基本上和它的质量成反比，因此应该能观测到许多的矮星系以及由小暗物质晕造成的引力透镜效应，但是目前的观测结果并没有证实这一点。而且那些环绕银河系或者其他星系的暗物质，当它们合并入星系之后会使原先较薄的星系盘变得比现在观测到得更厚。

暗物质晕的密度分布应该在核区出现陡增，也就是说随着到中心距离的减小，其密度应该急剧升高，但是这与我们观测到的许多自引力系统的中心区域明显不符。正如在引力透镜研究中观测到的，星系团的核心密度就要低于由大质量暗物质晕模型计算出来的结果。普通旋涡星系其核心区域的暗物质比预期的就更少了，同样的情况也出现在一些低表面亮度星系中。矮星系，例如银河系的伴星系玉夫星系和天龙星系，则具有与理论形成鲜明对比的均匀密度中心。流体动力学模拟出来的星系盘其尺度和角动量都小于观测到的结果。在许多高表面亮度星系中都呈现出旋转的棒状结构，如果这一结构是稳定的，就要求其核心的密度要小于预期的值。

可以想象，解决这些日益增多的问题将取决于一些复杂的但却是普通的天体物理过程。一些常规的解释已经被提出来用以解释先前提到的结构缺失现象。但是，总体上看，现在的观测证据显示，从巨型的星系团（质量大于1015个太阳质量）到最小的矮星系（质量小于109个太阳质量）都存在着理论预言的高密度和观测到的低密度之间的矛盾。

何处有大量暗物质

茫茫宇宙中，恒星间相互作用，做着各种各样的规则的轨道运动，而有些运动我们却找不着其作用对应的物质。因此，人们设想，在宇宙中也许存着我们看不见的物质。

现已知道，宇宙的大结构呈泡沫状，星系聚集成“星系长城”，即泡沫的连接纤维，而纤维之间是巨大的“宇宙空洞”，即大泡泡，直径达1~3亿光年。如果没有一种看不见的暗物质的附加引力“帮忙”，这么大的空洞是不能维持的，就像屋顶和桥梁的跨度过大不能支持一样。

我们的宇宙尽管在膨胀，但高速运动中的个星系并不散开，如果仅有可见物质，它们的引力是不足以把各星系维持在一起的。

我们知道，太阳系的质量，99.86%集中在太阳系的中心即太阳上，因此，离太阳近的行星受到太阳的引力，比离太阳远的行星大，因此，离太阳近的行星绕太阳运行的速度，比离太阳远的行星快，以便产生更大的离心加速度（离心力）来平衡较大的太阳引力。但在星系中心，虽然也集中了更多的恒星，还有黑洞，可是，离星系中心近的恒星的运动速度，并不比离得远的恒星的运动速度快。这说明星系的质量并不集中在星系中心，在星系的外围区域一定有大量暗物质存在。

天体的亮度反应天体的质量。所以天文学家常常用星系的亮度来推算星系的质量，也可通过引力来推算星系的质量。可是，从引力推算出的银河系的质量，是从亮度推算的银河系质量的十倍以上，在外围区域甚至达五千倍。因而，在那里必然有大量暗物质存在。

各类科学家的发现

20世纪30年代，荷兰天体物理学家奥尔特指出：为了说明恒星的运动，需要假定在太阳附近存在着暗物质；同年代，茨维基从室女星系团诸星系的运动的观测中，也认为在星系团中存在着大量的暗物质；美国天文学家巴柯的理论分析也表明，在太阳附近，存在着与发光物质几乎同等数量看不见的物质。太阳附近和银道面上的暗物质是些什么那么，太阳附近和银道面上的暗物质是些什么东西呢？天文学家认为，它们也许是一般光学望远镜观测不到的极暗弱的褐矮星或质量为木行星30~80倍的大行星。在大视场望远镜所拍摄的天空照片上已发现了暗于14星等，不到半个太阳质量的M型矮星。由于太阳位于银河系中心平面的附近，从探测到的M型矮星的数目可推算出，它们大概能提供银河系应有失踪质量的另一半。且每一颗M型星发光，有几万年。所以人们认为银河系中一定存在着许许多多的这些小恒星“燃烧”后的“尸体”，足以提供理论计算所需的全部暗物质。

观测结果和理论分析均表明漩涡星系外围存在着大质量的暗晕。那么，暗晕中含有哪些看不见的物质呢？英国天文学家里斯认为可能有三种候选者：第一种就是上面所述的小质量恒星或大行星；第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的200万倍太阳质量左右的大质量黑洞；第三种是奇异粒子，如质量可能为20~49电子伏且与电子有联系的中微子，质量为105电子伏的轴子或目前科学家所赞成的各种大统一理论所允许和需求的粒子。

欧洲核子研究中心的粒子物理学家伊里斯认为，星系晕及星系团中最佳的暗物质候选者是超对称理论所要求的S粒子。这种理论认为：每个已知粒子的基本粒子（如光子）必定存在着与其配对的粒子（如具有一定质量的光微子）。伊里斯推荐四种最佳暗物质候选者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科学家还认为，这些粒子也是星系团之间广大宇宙空间中的冷的暗物质候选者。

到现在，已有不少天文学家认为，宇宙中90％以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着。但暗物质到底是些什么东西至今还是一个谜，还待于人们去进一步探索。

2006年1月6日报道，剑桥大学天文研究所的科学家们在历史上第一次成功确定了广泛分布在宇宙间的暗物质的部分物理性质。目前，从事此项研究的科学家们正准备在最近几周内将此项研究结果公开发表。

天文学家们称，根据当前一些统计资料显示，我们平常看不见的暗物质很可能占有宇宙所有物质总量的95%。

在本次这项研究中，科学家们借助强功率天文望远镜（包括架设在智利的甚大天文望远镜VLT--VeryLargeTelescope）对距离银河系不远的矮星系进行了共达23夜的研究，此后科学家们还通过约7000余次的计算得出结论称：在他们所观测的这些矮星系中，暗物质的含量是其它普通物质的400多倍。此外，这些矮星系中物质粒子的运动速度可达每秒9公里，其温度可达10000℃。

同时科学家们还观测到，暗物质与其它普通物质还有着巨大的差异，如：尽管观测目标的温度是如此之高，但是这样的高温却不会产生任何辐射。据领导此项研究的杰里-吉尔摩教授认为，暗物质微粒很有可能不是由质子和中子构成的。然而在此之前科学家们曾一贯认为，暗物质应该是由一些“冷”粒子构成的，这些粒子的运动速度也不会太高。

暗物质研究专家们还表示，宇宙间最小的连续存在的暗物质片段大小也有1000光年，这样的暗物质片段质量约是太阳的30多倍。科学家们还在此次研究中确定出了暗物质微粒分布的密度，譬如，在地球上每立方厘米的空间如果能够容纳1023个物质粒子，那么对于暗物质来说这么大的空间只能容纳约三分之一的微粒。

早在30年代，瑞士科学家弗里兹-茨维基就设想宇宙间存在着某种不为人所知的暗物质。他还指出，星系群中的发光物质如果只依靠自身的引力将各个星系保持联接在一起，那么它们的量就必须要再增加10倍。而用来弥补这个空缺的就是看不见的重力物质，即我们今天所说的暗物质。尽管暗物质在宇宙间的储藏量比其它普通物质高出许多，但有关暗物质的性质目前科学家们尚不能给予完整的表述。

暗物质分布图诞生

2007年1月，暗物质分布图终于诞生了！经过4年的努力，70位研究人员绘制出这幅三维的“蓝图”，勾勒出相当于从地球上看，8个月亮并排所覆盖的天空范围中暗物质的轮廓。他们使出了什么好手段化隐形为有形的呢？那可全亏了一项了不起的技术：引力透镜。

更妙的是这张分布图带给我们的信息。首先我们看到，暗物质并不是无所不在，它们只在某些地方聚集成团状，而对另一些地方却不屑一顾。其次，将星系的图片与之重叠，我们看到星系与暗物质的位置基本吻合。有暗物质的地方，就有恒星和星系，没有暗物质的地方，就什么都没有。暗物质似乎相当于一个隐形的、但必不可少的背景，星系（包括银河系）在其中移动。分布图还为我们提供了一次真正的时光旅行的机会……分布图中越远的地方，离我们也越远。不过，背景中恒星所发出的光不是我们瞬间就能看到的，即使光速（每秒30万公里）堪称极致，那也需要一定的时间。因为这段距离得用光年来计算，1光年相当于10万亿公里。

因此，如果你往远处看，比如距离我们20亿光年的地方，那你所看到的东西是20亿年前的样子而不是现在的样子。就好像是回到了过去！明白了吗？好，现在回到分布图上，我们看到的是暗物质在25亿~75亿年前的样子。

那么在这个异常遥远的年代，暗物质看上去是什么样子的呢？好像一碗面糊。而离我们越近，暗物质就越是聚集在一起，像一个个的面包丁。这张神奇的分布图显示，暗物质的形态随着时间而发生着变化。更重要的是，这一分布图为我们了解暗物质的现状提供了一条线索。马赛天文物理实验室的让-保罗·克乃伯（Jean-PaulKneib）参加了这张分布图的绘制工作，他认为这种“面包丁”的形状自25亿年以来就没有很大改变，所以我们看到的也就是暗物质现在的形状。

那我们也在其中吗？把所有的数据综合起来再加上研究人员们的推测就可以在这锅宇宙浓汤中找到我们自己的历史。是的，是的……你可以把初生的宇宙设想成一个盛汤的大碗，汤里含有暗物质和普通物质……在这个碗里出现了两种相抗的现象：一方面是膨胀，试图把碗撑大；另一方面是引力，促使物质凝聚成块。结果，宇宙中的某些地方没有任何暗物质和可见物质，而它们在另外一些地方却异常密集：暗物质聚集在一起，星系则挂靠在暗物质上，就像挂在钩子上的画。但可惜的是，我们对暗物质究竟是什么还是一无所知……

美国科学家称暗物质或许就存在于地球之上

“暗物质”星系团，也被称为“子弹星系团”，距离地球38亿光年。通过研究这类星系团，科学家能够测量出暗物质的不可见影响。据美国太空网报道，神秘的暗物质一直以来都是自然界的未解之谜，引起了科学家们的探索和争论。近日，美国“低温暗物质搜寻计划”项目组科学家研究指出，暗物质或许就存在于地球之上。暗物质就因为它“模糊、隐晦”的特点而很难发现。事实上，科学家们也不知道究竟何为暗物质。由于暗物质既不释放任何光线，也不反射任何光线，因此最强大的天文望远镜都无法直接探测到它。自20世纪70年代以来，科学家们根据对许多大型天体之间，如星系之间的引力效果的观测发现，常规物质不可能引起如此大的引力，因此暗物质的存在理论被广泛认同。

根据科学家们的理论，暗物质通常也不会与大多数常规物质结合。有的观点认为，暗物质能够直接穿越地球、房屋和人们的身体。一些科学家已经开始在地下寻找暗物质粒子存在的证据。

美国明尼苏达大学科学家安吉拉-雷塞特尔是“低温暗物质搜寻计划”项目组成员之一。雷塞特尔表示，“就在我们的周围，存在一种暗物质流。每时每刻都存在一种交互。”她是在近期举行的美国物理学会一次会议上发表这一理论的。

在最新一期《科学快讯》杂志上，雷塞特尔和同事们发表论文声称，他们最近发现了两起事件，这些事件可能就是由暗物质撞击探测器所引起的。雷塞特尔表示，“我们此前的探测结果从来没有如此发现，这是首次。”

“低温暗物质搜寻计划”位于明尼苏达州地下大约700米的一个矿井中。因此，矿井可以阻止其他任何物质抵达实验设备，除了暗物质。这样宇宙射线和其他粒子可能会与暗物质粒子混淆的可能性已基本被排除。探测器本身也主要是由锗元素或硅元素组成的曲棍球形状的小块。如果锗或硅原子的原子核被暗物质粒子击中，它就会反弹并向探测器发送一个信号。

科学家发现，宇宙中的暗物质与一些小型的临近星系密切相关。这些星系只有数颗恒星，但它们的质量却是这些恒星单独质量的一百倍。这种隐藏的物质就被科学家称作暗物质。

然而，研究人员也无法完全确定他们所探测到的两个信号究竟是由暗物质粒子还是由其他粒子引起的。这两个信号太少，因此科学家们也无法确定。据科学家介绍，他们的计算曾经预测到背景可能会引起一次假事件。“低温暗物质搜寻计划”将继续进行他们的实验以期发现更多实质性的信号。

地球上另一项探寻暗物质的尝试聚焦于强大的粒子加速器，这类加速器可以将亚原子粒子加速到接近光速，然后让它们相互碰撞。科学家们希望通过这种难以置信的高速碰撞从而产生奇异粒子，其中包括暗物质粒子。

然而，即使采用最强大的粒子加速器，至今也未能发现暗物质的任何迹象。美国马里兰大学科学家萨拉-恩诺表示，“你也许会问为什么会这样，为什么组成宇宙大部分的物质粒子为什么在我们的加速器中从来没有发现过。”原因之一可能就是他们的加速器还没达到足够强大。

科学家们也无法确定暗物质粒子究竟有多大，有多重，以及究竟需要多大的能量才能够在实验室中发现它们。或许在任何加速器中都无法找到暗物质粒子。恩诺表示，“我们或许不知道这样一个事实，那就是暗物质粒子是我们无法制造或探测到的粒子。”

现在，最大的希望就寄托于新型的粒子加速器大型强子对撞机身上。恩诺表示，“大型强子对撞机或许会最终让我们获得足够的能量以产生暗物质粒子，并在撞击中发出它们。”恩诺也是大型强子对撞机紧凑型μ子螺旋型磁谱仪实验项目组成员之一。

编辑本段暗物质粒子证据

宇宙学家表示，他们已经在银河核心深处发现与暗物质粒子有关的最令人信服的证据。该地的这种神秘物质相撞在一起产生伽马射线的次数，比天空中的其他临近区域更频繁。

据国外媒体报道，宇宙学家表示，他们已经在银河核心深处发现与暗物质粒子有关的最令人信服的证据。该地的这种神秘物质相撞在一起产生伽马射线的次数，比天空中的其他临近区域更频繁。

最近几年，科学杂志上不断出现类似研究，不过要证实信息来源一直非常困难。然而费米实验室和芝加哥大学的宇宙学家、最新研究的第一论文作者丹·霍普表示，10月13日出现在网站上的这项最新研究与此不同。他说：“除了暗物质以外，我们考虑每一个天文学来源，然而我们了解的知识无法解释这些观测资料。也没有与之密切相关的解释。”这一断言还没得到其他科学家的严格审查，不过看过这篇论文的人表示，他们还需要对该成果进行更多讨论。

费米实验室的天体物理学家克雷格·霍甘并没参与这项研究，他说：“这是我所知道的第一项通过一个简单粒子模型，把少量与暗物质的证据有关的线索拼接在一起的研究。虽然它还没有充足证据，但它令人兴奋，值得我们去追根究底。”暗物质从137亿年前开始在庞大的能量膨胀——宇宙大爆炸过程中形成。能量冷却后形成普通物质、暗物质和暗能量，目前它们在宇宙中的比例分别是4%、23%和73%。

跟普通物质一样，暗物质具有引力，几十亿颗恒星正是在它们的帮助下聚集到星系里。但是这种物质很难与普通物质发生互动，人们看不到它。微中子是唯一一种曾在实验室里发现的暗物质粒子，但是它们几乎是零质量，而且在暗物质的宇宙能量部分里仅占很小比例。天体物理学家认为，剩下的很大一部分是由弱相互作用大质量粒子（WIMP）构成，这种粒子的能量大约比质子多10到1000倍。如果两个暗物质粒子撞在一起，它们就会彼此摧毁对方，产生伽马射线。

霍普和他的科研组通过对费米伽马射线太空望远镜在两年多时间里传回地球的数据进行分析，发现这种高能死亡信号。费米太空望远镜是美国宇航局的伽马射线望远镜，主要用来扫描银河的高能活跃区。他们发现，发出信号的相撞在一起的暗物质粒子，比质子大约重8到9倍。霍普说：“它比我们大部分人猜测的结果可能更轻一些。迄今为止我们很擅长这方面。不过人们猜测的暗物质粒子的重量范围不会一成不变。”

该科研组在银河核心处一个直径100光年的区域收集到的数据里发现这些信号。霍普解释说，他们之所以会关注这个区域，是因为它是暗物质最喜欢的聚集地，银河这个区域的暗物质密度，是银河边缘的10万倍。简而言之，银河核心就是一个暗物质大量聚集在一起，经常相撞的地方。

然而，其他科学家希望看到卡尔·萨根的名言“不同凡响的发现需要不同凡响的证据”能变成现实。也就是说，他们希望看到从自然界和实验室两方面获得的证据。芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳没参与这项研究，他说：“没人提供像萨根提到的那种证据。接受这一观点最困难的部分是，你必须拒绝接受天体物理学解释。大自然非常非常聪明，这可能是我们至今从没思考过的事情。”

特纳表示，好消息是几项有希望的暗物质探测试验目前正在进行。相干锗中微子技术（CoGeNT）等深埋地下的探测器可助霍普一臂之力。该探测器近几年可能已经发现弱相互作用大质量粒子的迹象。特纳说：“这十年是暗物质的十年。这个问题即将解决。现在所有这些探测器都在观测正确方位。”霍普同意两人的观点，不过他表示，与他交谈过的天体物理学家，没人能解释清楚这一现象。他认为，在他的发现得到支持或痛批前，也许只要数周时间就能在实验室里验证暗物质是否存在。他说：“我从没像现在一样为自己是一名宇宙学家而感到激动不已。”

世纪谜题

21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。

宇宙之外可能有很多宇宙

围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。

暗物质是谁最先发现的呢？

1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。

一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。

还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。

距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像，是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已！在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“暗物质”。

1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。

天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。

根据最新的估计，可视宇宙--即我们可以看到的所有的东西：星系，恒星，行星等--仅占宇宙中能量的4%，另有23%是以暗物质的形式存在。而剩余的73%要归于所谓的“暗能量”。

直到宇宙史上的这个阶段--大爆炸后约70亿年时，在引力的影响下膨胀变慢了。引力是唯一能在天文距离上造成显着差别的力，而且这是一种将物质拉到一起的吸引力。我们或许可以预料，引力的强度将决定宇宙的终极命运。

在我们讨论的这个时代，宇宙在膨胀。而且直到今天它仍在膨胀。但是这个膨胀会永远持续下去吗？还是说在至少800亿年后星系会掉转头来再次冲到一起形成一次大坍塌？所有这些都取决于宇宙中物质的平均密度，用希腊字母表示。如果大于1，引力占据上风，在时间终结之时会有一次大坍塌；如果等于1，那么膨胀会逐渐减慢但永远不会完全停止，这被称为一个平坦的宇宙。如果低于这个临界值，膨胀将变慢，但将一直持续下去。在讨论暴胀时说过，我们掌握的证据似乎说明宇宙是平坦的。但是对一种特殊类型的超新星：Ia型超新星的观测提醒我们，事情可能复杂得多。

让我们通过这些超新星回顾一下位于大爆炸和今天的中间点的关键时代。为什么这种类型的爆炸如此特别？因为这些爆炸的极大光度即内禀亮度都是相同的，所以可以作为标准烛光使用，让我们能够测量距离。我们将超新星爆炸时在天空中的视亮度和它的内禀亮度相比较，其差值就表示距离有多远。看起来更亮的超新星一定是距离我们更近。

为什么这些超新星都具有相同的内禀亮度？据认为这类超新星产生于一颗普通恒星的白矮星伴星的彻底毁灭。较小而致密的矮星从它的较大的伙伴那里吸积了过多的物质，最终它自身变得不稳定。这颗矮星在一次巨大的热核爆炸中把自己炸成了碎片。由于这种爆炸总是发生在同样的临界质量下，爆炸的光度在每种情况下都是一样的。

我们有两种方法计算包含超新星的星系的距离：通过谱线的红移和超新星的峰值光度。但在什么地方出了问题，使得超新星看上去比它们本应具有的亮度要暗，所以似乎比预计的遥远。这也正是天文学家们期待的最后一件事情。只有一种可能的解释，现在宇宙膨胀的速度一定比以前要快。宇宙的膨胀正在加速而非减速，这种使宇宙膨胀加速的能量我们称之为暗能量。

10．宇宙中的第五种力

这是怎么回事？在整个物理学史上，有四种力被认为是足以解释物质之间的所有可能的相互作用：电磁力（造成异性电荷之间的吸引力）、强核力（将原子核约束在一起）、弱核力（造成放射性衰变）和引力（在整个宇宙范围内起作用的吸引力）。引力是四种力中最弱的，但在天文学家们关心的领域里它是最重要的。因为这是唯一在很远的距离上仍起作用的力（虽然电磁力也能产生长程作用，但因为物质平均起来是电中性的，所以这种力被抵消了）。而一个加速中的宇宙需要一种先前未曾显示出效应的第五种力。

对于起这种作用的力已经有了许多理论性的假设，基本上大多数都是才一提出即遭抛弃。它把我们带入了奇异的真空力和虚粒子的世界。我们自然而然地把真空想象成不存在任何物质的地方，但是量子物理学告诉我们，这种想法过于简单了。任何真空都充满了沸腾起伏的大量的“虚粒子”。它们总是以粒子和反粒子的形式成对出现。这些带有相反电荷的虚粒子在互相碰撞湮灭之前只能存在不到10-43秒的短暂时间。这一过程可以描述为真空首先借来用以产生粒子的能量，然后在宇宙的其他部分觉察到之前，通过湮灭将能量返还。但在虚粒子短暂的存在期内对其周围却会产生影响。实际上在实验室中发现在某些情况下它们会产生斥力。这可能正是我们寻找的东西。而且，真空的体积越大，力就越强。所以我们预计随着宇宙的膨胀力会变大--恰如我们观测到的。

11．宇宙中存在的剪切

暗能量存在的进一步证据来自意想不到的一个方面。通过观察几十万个星爱因斯坦在黑板前。1923年12月6日系的形状，天文学家能够测量出自光线从每个星系发出后宇宙的膨胀。这种方于荷兰莱顿。法被叫做宇宙剪切，它依赖于光线路经质量时产生的弯曲。这种效应最壮观的例子是爱因斯坦环。来自遥远星系的光在从近邻系统的旁边经过时被严重扭曲，扩散成一个环形。近邻的系统位于中心。星系的图像也常常被扭曲和拉伸成弧状。除了这些极端的例子，我们看到的每个星系的图像都存在某种程度的畸变，畸变的大小反映出光线在到达观测者之前经过的质量总量。对大多数星系而言这种效应很微弱，只表现为星系在天空中位置上的小小偏移。这就存在一个问题，我们只能看到星系发生偏移后的景象，而要测量出途经的质量及计算出膨胀的大小，我们需要与一个从星系发出后未经任何畸变的光线作比较。对任何特定的星系，这都是不可能的。然而通过天文学家设计的对庞大数量星系的巡查，可以对很多星系作统计平均来提取出这类信息。其结论是明白无误的：光线从星系到我们之间所走过的路径需要用一个加速的膨胀来解释。

不过这里又冒出一个漏洞。在发现宇宙加速膨胀之前，粒子物理学家们找到了一大堆理由来解释由他们的许多理论所预言的这种效应为什么在宇宙中没有表现出来。实际上我们处于这样一种境地，就是能够解释为什么要么根本没有互斥力，要么存在一种极强的排斥效应。不幸的是，我们观测到的只是一种非常弱的力（尽管在宇宙范围内累积起来这种效应非常显着），而且与预言差距甚大。实际上，天文观测结果与最好的理论模型之间的差别高达10120倍。这是有史以来在科学上理论和实验之间最大的误差。但是，这就是我们已知的最佳解释。

而情况可能更为复杂。我们曾假设互斥力是不随时间变化的，这个假设只是出于不要把事情弄复杂的愿望，而无其他确实的理由。（要知道科学家们常常引用奥卡姆的剃刀原则：当其他方面都相同时，最简单的方案就是正确的方案。）有些宇宙学家则相信，造成加速的力的强度的确随时间变化。

这些问题即将开始解决。今后20年中的进一步观测已经计划好。不过公平地说，在很大程度上我们还在黑暗中摸索。

12．银河系的巨大黑洞

银河系中的黑洞

德国的天文学家们说，他们差不多已经证实在银河系的中心有一个巨大的黑洞。

慕尼黑附近的马克斯。普朗克太空物理学研究所的赖因哈德。根策尔说，他仍对有绝对的证据表明黑洞存在的说法持审慎态度。他对记者说，“但是这种审慎态度得到了迄今存在的最好的证据的支持。”

在过去的20年中越来越多的证据表明一个巨大黑洞的存在，这是一个能够把物质吸过去的物体，它的密度很大，连光都无法逃逸。

发现黑洞的唯一手段是观察它对其他物体的重力效应。环绕银河系中心运转的恒星的瞄准线矢量可以说明黑洞的存在，但没用证据来证实这一点。自1992年起，马克斯。普朗克研究所的科学家们在同瞄准线矢量成直角时测定了银河系39颗恒星的“适当”运动。他们在《自然》杂志上公布了这一消息。

他们的观测结果证实了恒星在圆形轨道上围绕质量很大带有万有引力的中心物质运动的假说。如果这些轨道是不规则的，那么这块中心物质就会小得多。根策尔说不，“这些测量的独特之处在于：我们能够如此接近中心物体并测试这些恒星的矢量。”

研究表明，这个中心暗物质的质量比太阳大250万倍。他说，“我为什么对于有绝对证据的说法犹豫不定呢？这是因为在我们做进一步研究之前，我们要让全世界的同行们都知道这一消息并对它进行验证。”

13．宇宙中的大引力体

1968年以来，国际天文研究小组的“七学士”（天文学家费伯和他的同事们）在观测椭圆星系时发现，哈勃星系流正在受到一个很大的扰动。所谓哈勃星系流就是指宇宙所表现出来的普遍膨胀运动，有时简称哈勃流。这是根据著名的哈勃定律、由观测星系位移现象所知晓的。哈勃流受到巨大扰动这一现象说明，我们银河系南北两面数千个星系除参与宇宙膨胀外，还以一定的速度奔向距离我们1.05亿光年的长蛇座一半人马座超星系团方向。是什么天体具有如此大的吸引力呢？天文学家们经分析认为，在长蛇座一半人马座超星系团以外约5亿光年处，可能隐藏着一个非常巨大的“引力幽灵”——“大引力体”（或称“大吸引体”）。有人用电子计算机作理论模拟显示，发现这个神秘的大引力体使我们的银河系大约以每秒170公里的速度向室女星系团中心运动。与此同时，我们周围的星系也正以每秒约1000公里的速度被拖向这个尚未看见的“大引力16体”。有人推测，这个“大引力体的直径约2.6亿光年，质量达3×10个太阳质量。距离我们大约1.3亿光年。我们处于大引力体的外层边缘。但是，也有人否定这个“引力幽灵”的存在。如伦敦大学的天文学家罗思·鲁宾逊和他的同事们，在仔细观察了国际红外天文卫星（1983年发射）发回的2400张星系分布照片后断定，已观测到的星系团如宝瓶座、长蛇座和半人马座等，比以前人们认识的要大得多，其宽度大约有1亿光年。这些庞大的星系团中存在着足够的物质，也足以产生拉拽银河系的引力，而不是什么别的“大引力体”。究竟有没有“大引力体”，的确是一个令人费解的宇宙之谜。

14．未来：小行星与地球

对于人类来说，最大的自然灾害莫过于小行星冲撞地球了。如今，这方面的研究已取得了许多进展。1980年，有两位科学家研究了白垩纪和第三纪地层中间的一薄层粘土，发现其中含有大量的铱。而在地球上，铱很罕见；小行星中却十分丰富。因此他们提出：在白垩纪末，大约距今6500万年前，地球曾遭到一个巨大小行星的碰撞，从而导致了恐龙的灭绝。这也是恐龙灭绝的假说之一。

几年前，地质学家在中美洲墨西哥的尤克坦海岸发现了一个水下陨石坑，他们判断说，这里很可能就是地球遭小行星碰撞的地点。1993年9月，美国和墨西哥的科学家测得这个陨石坑的直径约300公里，碰撞时释放的能量相当于两亿颗氢弹。据此估计，当时这颗小行星的直径有16公里。

与此同时，法国的一个研究小组也发现，在远离日本1900公里的太平洋底的一个1300平方公里的范围内，遍布有微米级的磁铁矿和铱晶体。他们认为这不可能是尤克坦碰撞时通过空气越过来的粒子，因为这样飞过来的粒子经过空气的摩擦，必然会被烧成圆形。因此他们推测当时撞入地球大气层的小行星可能一分为二，其中一块撞在尤克坦，另一块则落到了太平洋的中部。

1993年，两位科学家根据电子计算机模拟认为，以前假定的大量小粒子碰撞的积累而导致地球自转是不可能的。他们提出了在40亿年前，曾发生过一次像火星一样大的天体碰撞了地球，从而使地球开始了自转，并由此产生了月球。这也是月球形成的假说之一。

科学们还根据空气动力学的复杂计算认为，彗星或含碳丰富的小行星会在更高的空中爆炸，还不致于危及地面，只有那些含铁丰富的小行星才会在地面形成陨石坑，而介于两者之间的更普遍的石质小行星，才会发生通古斯类型的事件。这是一颗像足球场大的小行星，其典型的速度为45马赫，当它以此速度进入大气层时，空气被集聚在其前方，后方就形成了一个真空，这一巨大的压力差形成的压力梯度正好会使它破碎。这一爆炸若发生在8公里的高空，可使周围的空气热到50000℃，其威力相当于一个核弹头，并产生出一个以超声速扩散的热气团，其冲击波足以使一个像纽约那么大的区域内的树木全部燃烧起来。据称6500万年前就曾有过一场遍及全世界的大火，该大火就是由小行星碰撞地球引起的，大火烧掉了全世界1/4的植物，致使幸存的恐龙也因缺乏足够的食物而无法继续生存下去。

1993年6月，科学家们发现了一个新的小行星带，其中有许多直径小于50米的小行星正沿着离地球很近的轨道在绕日运行。有人担心它们会对地球构成威胁，但科学家们的计算后表明，这些直径小于50米的任何小行星在进入大气层后，都会被炸得粉碎，因此不会给地球带来任何灾难。

值得注意的是，1983年，又一颗小行星被发现，命名为“1983tv”。英国天文学家在计算了这颗小行星的轨道之后，发表了自己的看法：如果“1983tv”不改变其运行轨道，将于2155年与地球相撞，可能给人类带来灾难。

虽然这将是150年以后的事，但人类也该早想对策，而不能坐以待毙。其实，根据人类现代科学技术水平以及150年的高速发展，办法还是有的。比如我们可以迫使这颗小行星改变运行轨道，从而避免它与地球相撞。此外，我们还可以运用地对空远射程导弹一类的武器，在太空中将它摧毁掉，这将不会是很困难的吧！而目前最重要的是，首先精确地计算出这颗小行星的运行轨道，对于2155年碰撞地球一说得出一个准确的结论。在没有全世界天文学家共同的结论之前，它始终只是一个“相撞之谜”。

十多年前，美国国家航空和宇宙航行局一个顾问委员会，在讨论恐龙灭绝理论时认为，将来类似的撞击也会使人类灭绝。为此，他们正在研究对策，一旦有一个直径为一英里左右的行星将要撞击地球，可以用发射核弹头导弹在其旁边爆炸的方法，来改变它的行进方向。但据地质学家休梅克说，假如赫尔斯与地球相撞，将会释放相当于10万个百万吨级炸弹的能量，假如比它大10倍的行星与地球相撞，才会带来更大的灾难，而爆炸力大如赫尔斯的行星与地球相撞的概率，在10万年内只有一次，因此比前面所说的大十字架更难一遇了。

出人意料的是，也有人欢迎小行星光临地球。因为未来学家们认为，一个仅一英里宽，含有上等镍与铁的小行星，能给我们带来高达4万亿美元的资产。除了大量的镍与铁之外，有些游离的小行星还可能含有丰富的金和铂，以及一些稀有元素如铱等，其价值无法估计。所以，目前西方各国的科学家们正在想方设法地积极准备迎接这些地球的不速之客哩！

15．科学家发现超远天体

据新华社电多国科学家最近利用美国哈勃太空望远镜拍摄到一个距地球260亿光年的天体，比此前已知最远天体要远近1倍。目前，天文学界尚未能确定这一天体的性质。专家指出，这一发现对现有解释宇宙的理论提出了挑战。

参加“斯隆数字天空探索”计划的研究人员是根据红移规律推定这一天体距离的。红移是指从地球观测到的天体电磁波谱线向红端，即向波长较长一端的推移现象。它由天体退行速度产生，天体越远，红移量越大。此前，天文学界观测到天体的最高红移值为6.68，相当于距地球约140亿光年。此次哈勃太空望远镜拍摄到的这一天体的红移值高达12.5，由此推算这一天体距地球的距离应为260亿光年。

据悉，此次发现使天文学家感到非常意外。根据目前公认的解释宇宙诞生的大爆炸理论，宇宙是约140亿年前由一个小点爆炸而形成的，目前宇宙仍在膨胀。此前发现的最远天体距地球约140亿光年，说明宇宙的年龄至少为140亿年。此次发现的最远天体距离达260亿光年，说明这一天体发出的光经过260亿年的旅行才到达地球，也就是说宇宙的年龄可能比原先认为的要大得多。

16．令人意外：宇宙是平的

一群科学家在最新一期英国《自然》（Nature）期刊中发表研究结果指出，整个宇宙事实上是平坦且向外无限延伸的型态，并不像所谓部分宇宙学家所预测的「大崩坠」（BigCrunch）学说一样，将会出现剧烈崩溃的情况。

据法新社自巴黎报导，上述结论是透过一种宇宙超音波，也就是分析微波能量细微变化而得的结果。100到200亿年前发生「大爆炸」（BigBang）并产生宇宙之后，至今仍能在太空中测得当时的微波能量。

研究人员指出，上述这种古老辐射的模式「为宇宙的欧几里德几何学提供有力的证据」，也就是说，整个宇宙是平坦的。

这份资料来源是由罗马大学天体物理学者，在1998年12月到1999年元月所进行的「回力镖」（BOOMERanG）研究中所推论而成。这项计画利用一颗装配无线电望远镜的固定汽球，漂浮在南极上空将近40公里处进行侦测。

美国自然科学研究所（USSchoolofNaturalScience）研究员胡伟恩（WayneHu，音）在期刊中一篇附带评论中指出，宇宙之所以是平坦的，是因为在波纹的直线路径中所出现的偏倚，并不是由宇宙的曲度所造成的。

「研究结果支持宇宙为平面的这种说法，也意谓著宇宙的总质量和能量密度相当于所谓的临界密度。」他说：「因为没有足够的物质能让宇宙在『大崩坠』中，一个完全平面的宇宙会一直维持临界密度，并不断地向外扩张。

宇宙是扁平的，并将永远扩张，而不是像某些宇宙哲学家预测的那样，在一次“大危机”中发生灾难性塌陷。

上述结论，是从某种宇宙超声波中得出的。所谓宇宙超声波，是对100亿至200亿年前宇宙在一声“大爆炸”中诞生后，仍然回荡于太空的微波能量的各种微小变体的分析。

上述数据，是罗马大学天文学家在过去两年的研究中获得的。他们收集数据的方式是让一个装有无线望远镜的拴绳气球，飘到南极近40公里的上空。

他们在今天出版的英国科学杂志《自然》中说，这种古老辐射的图案，“为一个欧几里得几何的宇宙提供了证据”。换句话说，宇宙是扁平的。这是因为微波的直线途径中的偏斜，不会是由宇宙的曲线造成的。

美国自然科学院的胡威尼对此发表评论，他说：“一个完美的扁平宇宙，将维持在临界密度的状态中，并继续永远扩张，因为没有足够的物质使他在一次大危机中再次塌陷。”杨子晚报2000/4/27

宇宙将像现在这样一直膨胀下去，还是逐渐停止膨胀开始收缩？宇宙结构是弯曲的，还是平坦的？这些问题一直困扰着科学家。27日天文学家在英国《自然》杂志上发表论文宣布，根据最新观测，宇宙结构是平坦的，而且将永远膨胀下去。这一发现有助于科学家进一步揭示宇宙诞生和演化之谜。

根据现代宇宙学中最有影响的大爆炸学说，我们的宇宙是大约150亿年前由一个非常小的点爆炸产生的，目前宇宙仍在膨胀。这一学说得到大量天文观测的证实。

这一学说认为，宇宙诞生初期，温度非常高，随着宇宙的膨胀，温度开始降低，中子、质子、电子产生了。此后，这些基本粒子就形成了各种元素，这些物质微粒相互吸引、融合，形成越来越大的团块，这些团块又逐渐演化成星系、恒星、行星，在个别的天体上还出现了生命现象，能够认识宇宙的人类最终诞生了。

关于宇宙的结构和未来，这一学说认为，如果宇宙总质量大于某一临界质量，那么宇宙的结构是球形的，并且总有一天会在引力作用下收缩；如果宇宙总质量小于临界质量，那么宇宙的结构是马鞍形的，宇宙内部的引力无法抵消宇宙膨胀的速度而使宇宙一直膨胀下去；如果宇宙总质量恰好等于临界质量，那么宇宙的结构是平坦的，宇宙也将像现在这样一直膨胀下去。

宇宙的结构实际上是时间和空间的结构，普通人很难想像。不过科学家提出一个衡量宇宙结构的标准：如果两束平行光线越来越近，那么宇宙结构是球形的；如果两束平行光线越来越远，那么宇宙结构是马鞍型的；如果两束平行光线永远平行下去，那么宇宙结构则是平坦的。平坦宇宙的结构可以用欧几里德几何解释。

宇宙结构是平坦的这一结论是参加“银河系外毫米波辐射和地球物理气球观测项目”的多国科学家得出的。这一项目的目的是研究宇宙背景辐射的详细情况。科学家在1998年底将一些射电天文望远镜放置在氦气球顶部，随氦气球上升到距地面约40公里的高空，在那里对特定宇宙区域进行了11天的观测，获得了迄今关于宇宙早期辐射最详实的数据。

经过研究，科学家发现，在大尺度上，宇宙最初发出的光线并没有发生弯曲现象，也就是说当初的两束平行光线一直保持平行状态，这说明宇宙结构是平坦的，也就是说宇宙总质量恰好等于临界质量，宇宙将像现在这样一直膨胀下去。

早在1965年，科学家就已探测到宇宙空间中均匀分布着的宇宙背景辐射，其温度为零下270摄氏度。大爆炸学说认为，这种辐射是宇宙大爆炸后的“余烬”。从这些“余烬”中，科学家可以推测大爆炸初期的情景。1991年，美国宇宙背景探测卫星发现，宇宙背景辐射中存在着微小温度波动，如同在“余烬”中闪动着的微弱“火光”，这表明那时宇宙内已存在密度非常小的物质云团。正是这些云团逐渐收缩形成了后来的星系。“银河系外毫米波辐射和地球物理气球观测项目”是在该卫星发现的基础上进行观测的。

此外，分别于1990年4月和1991年4月进入太空的“哈勃”天文望远镜和伽马射线探测器以及其他一些观测仪器也对宇宙的结构和演化进行了观测，取得了大量成果。这些成果较为一致地认为宇宙将一直膨胀下去。

人类对宇宙诞生和演化的观测研究刚刚起步，关于宇宙结构和未来的推测也仅仅是初步结论。未来几年，科学家计划发射两颗卫星更精确地观测宇宙早期辐射的情况，此外，科学家还将采取其他多种手段观测宇宙，宇宙诞生和结构之谜将被进一步揭开。（新华社）

欧洲科学家发现物质新形态

欧洲物理学家9日宣布，他们在重演创造宇宙“大爆炸”的实验室里做粒子相撞试验时发现了一种物质新形态。

欧洲粒子物理实验室的科学家表示，他们共进行了7次这种实验，而且这种实验技术是世界领先的。他们在让铅离子相撞时，短暂产生的温度超过太阳中心温度10万倍，能量密度达到一般核物质的20倍。在这极不寻常的情况下，他们发现名叫夸克和胶子的最微小粒子在转瞬间飞快自由转动，然后，这些小粒子便粘在一起。他们相信这就是构成原子的基础物质。

该实验室表示，这些实验首次证明了大爆炸后数微秒间发生的事情。学者认为大爆炸约于120至150亿年前发生，宇宙由此形成。

17．量子世界的“海市蜃楼”

在沿海地带或大漠深处，由于大气层对光线的折射，有时会出现远处景物显示于空中或地面的奇异现象——“海市蜃楼”。最新研究发现，在量子世界中也存在类似的效应。科学家成功地将一个原子的信息从所在位置传播到该原子并不存在的另一个地点，创造出了有关该原子莫须有的“幻象”。这一被命名为“量子海市蜃楼”的效应，有望在未来作为一种崭新的技术手段，制造出无需导线就可传翰数据的纳米级电路。

研究人员指出；现在电子线路尺寸正变得到越来越小。这种微型化达到一定限度后，电子的特性会不再以粒子性为主，而更多表现出量子力学所描述的波动性。即使是细微的导线，届时也将无法理想地传递电子。而新发现的“量子海市蜃楼”技术，有可能为此提供解决办法。另外，新技术在远距离探测原子和分子等领域也有用途。

18．寻找银河系中心的毁灭源

天文学家最近公布，他们发现了从银河系中心喷发出来的一个“毁灭源”。

这些天文学家说，这个毁灭源是由物质和反物质相遇并互相摧毁时产生的热气体组成的。它也许是说明存在着一个恒星爆炸地区和黑洞周围有风的证据。

为了发现这个毁灭源，科学家们使用了美国航天局1991年发射的，目前仍在轨道上运行的“康普顿伽马射线观测台”收集到的资料。同使用可见光观察太空现象的哈勃太空望远镜不同的是，“康普顿伽马射线观测台”跟踪能量最大的光粒子－－伽马射线。

银河系的中心距地球大约2.5万光年。由于有气体和尘埃的阻挡，使用可见光的一般望远镜是看不到它的。但是伽马射线却能“看”穿银河系的气体和尘埃直至它的心脏。

伽马射线是在反物质同物质撞击时产生的，它产生正常可见光的大约25万倍的能量。人们认为，宇宙中存在的反物质相对来说是很少见的，因为每当反物质和物质相遇时，毁灭情况随即发生，伽马射线随之产生。

研究银河系毁灭源的科学家们不知道反物质来自何处，他们在美国弗吉尼亚威州廉斯堡举行的这次研讨会上，探讨了这个问题和其它一些问题。

来自华盛顿海军研究实验所的研究人员查尔斯。德尔默哀记者招待会上说：“我的看法是那里有剧烈的活动，正在使我们整个银河系中心的热气云沸腾起来。”

他说：“它是我们银河系的内城，而我们则生活在相当安静的郊区。”

德尔默和与会的其他科学家对向上喷发的反物质源的说法持不同意见。德尔默和他的同事们认为，它可能是死恒星的“火葬柴堆”，在过去10万至100万年间一直在燃烧着。

反物质源的另一种可能性是据认为位于银河系中心的巨大的黑洞，这个黑洞可能爆发反物质射流。这些科学家说，还有一个比较小的黑洞，也可能向云层喷发了反物质。这个较小的黑洞多少被夸张地说成是“一个大毁灭者”。

德尔默论证说，银河系的心脏还包含有大量的和生命生命周期短的所谓超重恒星。这些恒星的死亡可能给这个毁灭源增添了燃料。

这个毁灭源位于银河系中心上方，长3500光年，宽度大约4000光年。