張鵬杰，上海交通大學(xué)物理與天文系特聘教授。1997年北京大學(xué)本科畢業(yè), 2003年多倫多大學(xué)博士畢業(yè), 2003~2005年在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室做博士后, 2005年入選中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃, 任中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員, 2012年12月加入上海交通大學(xué)。獲得國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(2010)、中國(guó)天文學(xué)會(huì)黃授書獎(jiǎng)(2012)。研究領(lǐng)域是宇宙學(xué), 重點(diǎn)是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)及其在基礎(chǔ)宇宙學(xué)物理中的應(yīng)用。
宇宙是由什么構(gòu)成的? 這是一個(gè)古老而深刻的問題。20世紀(jì)70年代, 粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型建立。人類見過的所有粒子, 盡數(shù)納入囊中。然而到世紀(jì)之交的時(shí)候, 天文學(xué)卻令人震驚地發(fā)現(xiàn): 粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型只能涵蓋宇宙中5%的物質(zhì)和能量。宇宙中占95%的, 是暗物質(zhì)(27%)和暗能量(68%)[1]。
暗物質(zhì)、暗能量, 顧名思義, 不發(fā)光, 不是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型所能涵蓋的普通物質(zhì)。它們就分布在我們周圍, 但是與普通物質(zhì)幾乎沒有重力之外的相互作用, 因此從來沒有在任何物理實(shí)驗(yàn)中顯形, 也從來沒有在太陽(yáng)系中露面。然而在十萬(wàn)光年量級(jí)的星系尺度上, 暗物質(zhì)的力量展現(xiàn)無遺, 它們產(chǎn)生的引力束縛住千億顆以幾百公里每秒速度飛奔的恒星, 使得星系不至于分崩離析; 在百萬(wàn)光年量級(jí)的星系團(tuán)尺度上, 暗物質(zhì)產(chǎn)生的引力竟然能束縛住以上千公里每秒速度狂奔的龐大星系, 甚至扭曲時(shí)空, 把遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光拉成巨大的光弧。
但是, 在千萬(wàn)光年及更大的尺度上, 暗能量才是宇宙演化的主宰。暗能量是一種神秘的未知場(chǎng), 具有負(fù)的壓強(qiáng), 狀態(tài)方程(壓強(qiáng)與能量的比值)約等于-1, 因此產(chǎn)生排斥性的重力, 在宇宙中近乎均勻分布。它產(chǎn)生的斥力使得宇宙的膨脹越來越快。
暗物質(zhì)、暗能量顛覆了人類對(duì)宇宙構(gòu)成的認(rèn)知, 揭示了未知物理規(guī)律的冰山一角, 預(yù)示著新的物理學(xué)革命的到來。但是, 目前所有的證據(jù)均來自天文學(xué)。
20世紀(jì)30年代, 天文學(xué)家茲威基(Fritz Zwicky)發(fā)現(xiàn)后發(fā)座(Coma)星系團(tuán)中的成員星系運(yùn)動(dòng)得很快。要束縛住這些星系, 就要求星系團(tuán)中存在大量看不見的物質(zhì)(即“暗物質(zhì)”)來提供足夠大的引力。60年代以來, 女天文學(xué)家魯賓(Vera Rubin)等人[2]發(fā)現(xiàn)旋渦星系中恒星圍繞星系中心的旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)大于預(yù)期, 表明星系中存在大量的暗物質(zhì)。在這之后, 暗物質(zhì)的存在成為天文學(xué)界的共識(shí)。到了21世紀(jì), 引力透鏡的觀測(cè)進(jìn)一步表明, 星系之間的宇宙空間, 也存在大量的暗物質(zhì)。這些暗物質(zhì)產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng), 使得遙遠(yuǎn)星系的圖像平均被扭曲了1%的量級(jí)。
這些看不見的暗物質(zhì)是什么? 黑洞? 中子星? 白矮星? 其他由普通物質(zhì)組成的致密但是不發(fā)光的天體? 都不是!宇宙學(xué)尺度上的結(jié)構(gòu)形成要求宇宙中的普通物質(zhì)加暗物質(zhì)占約30%。而宇宙大爆炸核合成則告訴我們普通物質(zhì)占約5%。因此暗物質(zhì)不是普通物質(zhì), 而是超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的未知物質(zhì), 天文學(xué)上一般稱為非重子暗物質(zhì), 以區(qū)別于主要由重子組成的普通物質(zhì)。另一個(gè)更加確鑿的證據(jù)來自宇宙微波背景輻射。非重子暗物質(zhì)的存在會(huì)調(diào)制宇宙早期輻射——物質(zhì)流體中的聲波振蕩, 從而在宇宙微波背景輻射中留下獨(dú)特的印記。2003年以來, WMAP, Planck等[1]宇宙微波背景輻射試驗(yàn)精確的測(cè)量了這些印記, 發(fā)現(xiàn)非重子暗物質(zhì)約是普通物質(zhì)的6倍。
暗物質(zhì)是決定宇宙結(jié)構(gòu)形成的主導(dǎo)力量。與普通物質(zhì)一樣, 暗物質(zhì)的壓強(qiáng)相對(duì)于其密度可以忽略不計(jì)。因此暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的引力行為基本相同。因?yàn)榘滴镔|(zhì)遠(yuǎn)多于普通物質(zhì), 所以暗物質(zhì)是宇宙中結(jié)構(gòu)形成的基石, 是維系星系和星系團(tuán)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在銀河系中, 太陽(yáng)以約220 km/s的巨大速度運(yùn)動(dòng)。它之所以沒有被巨大的離心力甩出銀河系, 暗物質(zhì)起了重要作用; 從物質(zhì)分布極度均勻的早期宇宙演化出物質(zhì)高度密集的星系, 暗物質(zhì)也起了核心作用。在引力作用下, 暗物質(zhì)逐漸聚集、成團(tuán), 形成暗物質(zhì)暈, 星系就是在這些暗物質(zhì)暈中形成的。星系巡天中發(fā)現(xiàn)了橫亙10億~20億的巨大“星系長(zhǎng)城”, 暗物質(zhì)正是其中的骨架。
至于暗能量, 早在20世紀(jì)80年代, 就有宇宙學(xué)家推測(cè)出了它的存在。但是, 暗能量被天文和物理學(xué)界廣泛接受則來自1998年Ia型超新星的觀測(cè)結(jié)果。Ia型超新星是宇宙中的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”, 能夠從它們的亮度測(cè)量出它們的距離, 從而換算成宇宙大小隨時(shí)間的演化。通過遙遠(yuǎn)超新星的觀測(cè), 2個(gè)天文學(xué)團(tuán)組發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹速度不僅僅沒有在重力作用下變得越來越慢, 反而變得越來越快[3,4]! 這是一項(xiàng)革命性的發(fā)現(xiàn), 因此3位負(fù)責(zé)人(Saul Perlmutter, Adam Riess, Fabian Schmidt)榮獲2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。按照廣義相對(duì)論, 宇宙的加速膨脹表明宇宙中存在一種未知的能量場(chǎng), 即暗能量。它的狀態(tài)方程約等于-1, 從而其重力體現(xiàn)為排斥力, 導(dǎo)致宇宙膨脹的加速。
超新星的證據(jù)之外, 暗能量的存在也得到了多方位觀測(cè)證據(jù)的支持。例如, 2011年5月, 阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡(Atacama cosmology telescope)在宇宙微波背景中找到了暗能量的蹤影。不同于以往的是, 新的證據(jù)完全來自于宇宙微波背景觀測(cè)數(shù)據(jù), 即不依賴于任何其他觀測(cè)數(shù)據(jù)。原因在于, 此前3月份該望遠(yuǎn)鏡首次測(cè)量到了低紅移處宇宙大尺度結(jié)構(gòu)造成的宇宙微波背景弱引力透鏡現(xiàn)象(CMB lensing)。該測(cè)量打破了宇宙微波背景宇宙學(xué)中的一個(gè)幾何簡(jiǎn)并, 從而掃除了獨(dú)立從宇宙微波背景中發(fā)現(xiàn)暗能量的障礙。而2013年以來, Planck衛(wèi)星微波背景輻射試驗(yàn)則用同樣方法更加確鑿地證實(shí)了暗能量的存在。
因?yàn)榘的芰康闹亓ψ饔皿w現(xiàn)為排斥力, 所以暗能量基本不成團(tuán), 在宇宙空間中均勻分布。由于這個(gè)特性, 很難從單個(gè)星系或星系團(tuán)中找到暗能量的蹤跡。那么, 暗能量如何探測(cè)呢? 除去導(dǎo)致宇宙加速膨脹之外, 它減慢了宇宙結(jié)構(gòu)增長(zhǎng)的速率, 因此在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中留下獨(dú)特印記。天文學(xué)家已掌握了多種方法來從海量天文數(shù)據(jù)中提取出暗能量的信息。
宇宙浩渺無垠、繽紛多彩, 因此天文學(xué)家掌握著眾多探測(cè)暗物質(zhì)、暗能量的方法。值得一提的是, 不同方法都給出了一致的結(jié)果: 暗物質(zhì)約27%, 暗能量約68%。這些方法包括宇宙微波背景輻射、重子聲波振蕩、Ia型超新星、紅移畸變、星系團(tuán)計(jì)數(shù)、弱引力透鏡等, 相互獨(dú)立, 交叉驗(yàn)證, 使得暗物質(zhì)和暗能量的存在更加令人信服。基于此的宇宙學(xué)模型因此被稱為協(xié)和宇宙學(xué)(concordance cosmology), 能夠解釋幾乎所有宇宙學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù), 因此已成為宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型。
然而, 暗物質(zhì)到底是什么? 暗能量又是什么? 我們所知甚少。暗物質(zhì)可能是一種弱相互作用重粒子(weakly interacting massive particles), 有微小但不為零的概率與普通物質(zhì)發(fā)生作用。目前有很多地下試驗(yàn)(例如上海交通大學(xué)主持的PandaX試驗(yàn)和清華大學(xué)主持的CDEX試驗(yàn))正在搜尋暗物質(zhì)造成的核反沖。暗物質(zhì)粒子之間也可能發(fā)生湮滅, 產(chǎn)生伽馬射線(連續(xù)譜或譜線均有可能)、正電子等, 是Fermi衛(wèi)星、alpha磁譜儀、我國(guó)剛剛發(fā)射的“悟空”(DAMPE)暗物質(zhì)衛(wèi)星等搜尋暗物質(zhì)的方法; 暗物質(zhì)粒子也可能發(fā)生衰變, 從而改變宇宙早期微波背景輻射、黑暗時(shí)代和再電離過程。
暗能量則可能是宇宙學(xué)常數(shù), 由愛因斯坦在80多年前引入廣義相對(duì)論場(chǎng)方程。但是, 沒有令人信服的機(jī)制能夠解釋其觀測(cè)值的大小——基于真空零點(diǎn)能的估算值比觀測(cè)值大了超過100個(gè)數(shù)量級(jí); 暗能量也可能是某種動(dòng)力學(xué)場(chǎng), 其性質(zhì)隨著時(shí)間演化。動(dòng)力學(xué)暗能量和宇宙學(xué)常數(shù)的區(qū)別在于其狀態(tài)方程w一般不等于-1, 而且隨時(shí)間改變。甚至, 這種動(dòng)力學(xué)場(chǎng)存在所謂tracker解, 有助于緩解所謂的巧合問題: 為什么暗能量和物質(zhì)密度恰恰在近期差不多大小? 甚至, 有可能根本不存在暗能量, 而是廣義相對(duì)論在宇宙學(xué)尺度上出現(xiàn)了問題。近10年關(guān)于修改引力的研究取得了巨大進(jìn)展, 例如修改引力屏蔽機(jī)制的發(fā)現(xiàn)和修改引力數(shù)值模擬等, 這又反過來促進(jìn)了廣義相對(duì)論的宇宙學(xué)檢驗(yàn)以及成團(tuán)暗能量的研究。今后10年左右的時(shí)間, 將開展多個(gè)規(guī)模宏大的第4代暗能量巡天項(xiàng)目, 包括Euclid衛(wèi)星、WFIRST衛(wèi)星項(xiàng)目、基于LSST 6 m地面望遠(yuǎn)鏡的測(cè)光巡天、基于Mayall 4 m望遠(yuǎn)鏡的DESI光譜巡天和基于8 m Subaru望遠(yuǎn)鏡的PFS光譜巡天等。這些巡天將通過重子聲波振蕩、弱引力透鏡、紅移畸變等多種方法探索暗能量, 有望精確測(cè)量暗能量狀態(tài)方程、在宇宙學(xué)尺度上檢驗(yàn)廣義相對(duì)論, 從而打開新物理的窗口。
參考文獻(xiàn)
1 Planck C, Ade P A R, Aghanim N, et al. Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters. Astron Astrophys, 2014, 571: A16–A81
2 Rubin V C, Ford Jr W K. Rotation of the andromeda nebula from a spectroscopic survey of emission regions. Astrophys J, 1970, 159: 379–403
3 Riess A G, Filippenko A V, Challis P, et al. Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant. Astron J, 1998, 116: 1009–1038
4 Perlmutter S, Aldering G, Goldhaber G, et al. Measurements of Ω and Λ from 42 high-redshift supernovae. Astrophys J, 1999, 517: 565–586
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