天文太空

操控宇宙的幕後黑手

暗能量不僅驅趕著宇宙膨脹,星系形狀與星系間的距離也控制在它的手裡。

撰文/康塞利斯(Christopher J. Conselice)
翻譯/李沃龍

天文太空

操控宇宙的幕後黑手

暗能量不僅驅趕著宇宙膨脹,星系形狀與星系間的距離也控制在它的手裡。

撰文/康塞利斯(Christopher J. Conselice)
翻譯/李沃龍

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。

星系NGC 4526內的超新星1994D

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。