20世紀末
宇宙的黑暗面
暗能量與暗物質

  我們對宇宙的理解在20世紀後半葉發生了兩次重大變化,都和暗物質與暗能量有關。這兩種實體只是名稱相似,彼此之間沒有任何關係。

暗物質

  在1970年代初,華盛頓卡內基研究所的天文學家維拉.魯賓(Vera Rubin, 1928-2016)正在測量恆星在星系內的移動方式。她(以及其他天文學家)原本預期會發現一個簡單的模式:在靠近星系核心處,恆星會被鎖在一起,像旋轉木馬一樣旋轉,距離核心最遠的星星移動得最快。他們也預期會找到一個所有恆星都以相同速度移動的區域。最後,他們還預期在距離星系較遙遠的地方,天體的行為會類似我們太陽系中的行星──換言之,他們預期天體離核心愈遠,移動速度就愈慢。他們把最後這個區域的預期現象,以解釋行星如何繞行太陽的人為名,稱為「克卜勒流」(Kepler flow)。

  不過結果事情並非如此。他們無論在距離星系多遠的地方,都找不到預期的減速情況。要解釋這個現象唯一的方法,就是星系的可見部分是嵌在一個物質構成的巨大球體中,這些物質對星系施加重力,但不會與光或其他類型的電磁輻射交互作用。正因為它看不見,所以被稱為暗物質。今天我們知道宇宙有大約25%(銀河系約有95%)是暗物質。

  下一步自然是要問,暗物質究竟是什麼。科學家已經設計了多項實驗來偵測暗物質。這些實驗的基本概念是,必定有暗物質風吹過地球(並穿透我們的身體)。由於暗物質不與電力交互作用,所以不會太常與我們身體中的原子交互作用,因此我們不會注意到。實驗的基本原理是用敏感度夠高的儀器來檢測這些很少發生的交互作用。到目前為止,即使是這些實驗中最敏感的設備,也就是在南達科他州黑山(Black Hills)的一座老金礦地下1.6公里深處的液態氙氣槽,也沒有找到暗物質。

暗能量

  暗能量的發現則是來自完全不同的(但同樣令人驚訝的)天文測量。在1990年代後期,天文學家發展出新的方法,用來測量非常遙遠的星系與我們之間的距離。這項技術是利用Ia型超新星,也就是其中一個是白矮星的雙星系統爆炸產生的超新星。在這種雙星系統中,白矮星會把伴星上的氫拉掉,最後發生巨大的爆炸,亮度可能會有一段時間超過整個星系。由於所有Ia型超新星爆炸都會達到同樣的最大亮度,因此我們可以根據接收到多少光來判斷超新星有多遠。再者,觀察遠處的太空就等同於觀察過去,這種技術於是成為研究宇宙膨脹史的理想工具。

   科學家原本預期,由於物質的重力會產生吸引力,對宇宙的擴張速度產生「煞車」的作用。然而,和之前發現暗物質的情況一樣,宇宙擴張速度的測量結果完全出乎科學家的意料。最後的結果顯示,在宇宙最初的50億年中,擴張速度確實有減緩。但隨後有不知名的東西「踩了油門」,讓擴張開始加速。因此必定有某種具有反重力性質的東西,讓星系彼此分開。這種造成宇宙擴張的幕後推手就被稱為暗能量,目前科學家認為它占宇宙總質量的大約70%。儘管有理論上的推測,但我們還不知道它是什麼東西。找出暗能量,仍是目前宇宙學的核心問題(有些人會說是唯一的核心問題)。

 

 


 

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