寻找宇宙中最“暗”的星星

　　20世纪末，在物理学上，暗物质和暗能量联袂登场了。在宇宙总的能量-质量中，暗能量据称约占73%，暗物质约占23%，而可见物质仅仅约占4%。我们过去一直把那4%的可见物质折腾来折腾去，以为这就是宇宙的全部家当，如今才知道，原来大家都在坐井观天。物理学家们还暗怀希望，但愿两个“暗兄弟”在物理学上引发暴风骤雨般的革命。这样，他们又可以大出风头啦。因为说实话，随着生物技术的蓬勃发展，物理学家在这个年头确实是有些失落了。

　　所以，尽管迄今为止物理学革命还没有发生，但两“暗兄弟”的“一举一动”都备受关注。相信每一位对物理学感兴趣的读者也是如此。他们隔段时间就会打听一下：“暗物质和暗能量最近怎么样?有它们的新消息么?”

　　关于暗能量，可谈的新东西暂时还不多，这次就免了;但关于暗物质，新东西着实不少，又够我们大谈一阵子了：暗物质说不定组成了天空中最早的发光天体，这种天体的出现比第一代恒星还早;暗物质之间可能存在一种叫“暗力”的作用，这种作用力说不定是自然界的第五种基本作用力。

　　上篇 宇宙最早的“居民”可能是——暗星

　　根据科学版的“创世纪”，宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸，而宇宙的第一代“居民”——恒星——则等到大爆炸之后大约1亿年才闪亮登场。

　　即便根据当前恒星的标准，第一代恒星也是“巨人”。它们动辄是太阳质量的十到数千倍，比如今的任何一颗恒星都更大、更亮，燃烧得也更快。

　　恒星个头的大小取决于两个因素：一是恒星物质的引力，这个引力让组成恒星的气体越缩越小;另一个是恒星燃烧产生的膨胀力，这个膨胀力靠自身的高温高压抵抗引力的压缩;而所谓的恒星燃烧，就是指恒星把氢、氦等较轻的元素通过核聚变转化为较重的元素，这个过程中以光子的形式释放出大量的能量。

　　不过，如果有关恒星形成的一个新理论是正确的话，那么在靠核聚变反应发光的第一代恒星形成之前，或许还存在另一类更加原始的“恒星”，它们不是通过核聚变发光，而是靠暗物质粒子湮灭发光的。这种天体严格来说还算不上是恒星，但因为它是恒星的前身，所以叫“原恒星”，或者干脆叫“暗星”。

　　靠着暗物质湮灭发光

　　按我们现在的理解，暗物质是一种不可见的物质;除了引力和弱核力(即四种基本作用力中最弱的两种)，暗物质看来跟普通物质不发生相互作用。组成暗物质的粒子到底是什么，这至今依然是个谜。目前流行的说法是，暗物质粒子是弱相互作用大质量粒子(英文缩写WIMP粒子)。这种粒子有一种奇怪的性质，即它的反粒子是它自身，所以两个相同的WIMP粒子聚在一起就会湮灭，转化成能量(见我刊2013年03A《谁创造了宇宙》一文)。

　　暗物质素有“宇宙的脚手架”之称，在恒星和星系还没有形成之前，暗物质凭自身引力把一些气体拉拽到身边，然后这些气体在引力作用下坍缩，坍缩到一定程度点燃了内部的核聚变，于是第一代恒星就诞生了。

　　在这幅图景中，暗物质只是充当了恒星形成的背景。但按新理论，暗物质的作用也许还不止于此：在早期宇宙，由于膨胀时间还不太长，暗物质粒子的密度还很大，这些暗物质粒子一边充当宇宙的脚手架，一边彼此湮灭，放射出光芒。这样，在气体云的内部还没发生核燃烧之前，就先发光来。这就是所谓的暗星。

　　在暗星中，主要的组成成分还是氢和氦——这些气体在暗星中并不燃烧，暗物质所占比例小于总质量的1%。但重要的是，这些暗物质的“燃烧”，可以加热未来组成恒星的气体，阻止它们进一步坍缩，因为气体温度越高，膨胀力就越大;这就相当于把恒星的胚胎“冻结”了，让它在转变成一颗真正的恒星之前，有足够的时间成长。结果是，暗星会异常庞大，比第一代恒星还要巨大。它们的直径可以从1个天文单位(日地平均距离)到大约30个天文单位——相当于从太阳到海王星的距离。同时，鉴于一颗正常的第一代恒星可以达到十到数千个太阳质量，最近的研究认为，较大的暗星质量也许会在1000～10000个太阳质量之间。暗星的温度比太阳低，光线看上去呈类似于太阳的橙黄色，但由于表面积巨大，其中最大的暗星每秒释放的能量可能是太阳的数十亿倍。

　　暗星影响宇宙演化的进程

　　如果暗星存在，它们会推迟第一代恒星的形成，改变早期宇宙中的化学组成。暗星同时还能解释为什么超大质量黑洞能在大爆炸之后不久就快速地形成。

　　计算机模拟表明，只要周围暗物质密度足够高，暗星就可以存在。在最差的情况下，暗星应该可以存在大约100万年。如果暗物质密度非常大或者有从外界来的暗物质粒子注入，它们甚至可以存在数十亿年。一些最初的暗星还有可能幸存至今。

　　一旦暗物质能源被耗尽，暗星的命运将取决于它的质量。仅有几百个太阳质量的暗星在用完暗物质储备之后会“解冻”。这个时候，阻止气体云坍缩的膨胀力已不复存在了，所以它会按“预定计划”继续坍缩下去，直至转变为由核聚变驱动的正常恒星。这些恒星持续燃烧上千万年左右，最后在超新星爆发中把自身的重元素播撒到宇宙中去。

　　但是对于大质量的暗星来说，要想重返普通恒星那“按部就班”的生活已经不可能。它们那令人难以置信的质量会使得它们直接坍缩成黑洞。因此暗星可以解释类星体——中心具有超大质量黑洞的明亮天体——是如何在大爆炸之后仅数亿年就已经存在的，这比目前绝大部分的理论预言都要早。在之前的理论中，超大质量黑洞的产生一直是个未解之谜，如果没有暗星，一个只有几个太阳质量的黑洞似乎没有足够的时间成长为具有数百万太阳质量的超大质量黑洞。

　　暗星也许还在终结宇宙的黑暗时代上发挥了作用。宇宙的黑暗时代是大爆炸之后的一个完全黑暗的时期，新生的氢和氦原子吸收了宇宙中的所有光。按照标准理论，要打破这个混沌黑暗的格局，需要数代恒星和星系的紫外光来瓦解或者电离这些原子，使得宇宙变得透明，这就是所谓的“宇宙的重电离”，发生在大爆炸后的大约37万年。因为暗星可以制造出更大、更亮的第一代恒星，这可以加速宇宙重电离的过程。

　　寻找暗星

　　目前暗星只是理论上的一种假设。既然暗星最显著的作用是推迟了第一代恒星的演化进程，那么在观测上最好的证据应该存在于第一代恒星之中。譬如说，按过去的理论，第一代恒星早应该经历超新星爆发灰飞烟灭，再也找不着了，但要是它们存在的时间被推迟得足够长，也许我们现在也还能观测到第一代恒星的超新星爆发。

　　下一代空间望远镜也许还能探测到早已消失的暗星所发出的光。理论预言，来自早期暗星的光在到达地球时会被因宇宙膨胀而“移动”到远红外波段。科学家寄希望于韦伯空间望远镜上的红外探测器去寻找这些远红外光，——当然，暗星也可能最终会因为太暗而无法被探测到。

　　另外，空间探测器还可以寻找一直幸存至今的，被冻结的暗星。虽然暗星在质量以及化学组成上和正常恒星可能一样，但它们的体积会更大，温度也会更低。如果天文学家发现一颗“恒星”具有这些奇特的性质，它就有可能是自宇宙创生至今一直陪伴在我们身边的这些天体存在的证据。

　　这个话题就谈到这里，底下我们来谈暗力。

　　下篇 第五种基本作用力——暗力可能现形

　　爱因斯坦说：“自然是简单的。”这个“简单”当然不是指现象简单，——谁都知道自然现象纷繁复杂——而是指基本原理和基本作用是简单的。众所周知，大自然只有四种基本作用力：引力、电磁力、强核力和弱核力。迄今所有的自然现象，都可通过这四种基本作用力得到解释。

　　就拿化学上的分子力来说，这种力很奇特：在远距离时，表现为吸引，在近距离时则表现为排斥。但不论吸引还是排斥，其实都是四种基本作用之一——电磁力作用的结果，只是这个作用比较复杂。譬如说要计算分子A与分子B的作用力，就要计算A上所有原子与B上所有原子的静电力。这些静电力的总合力，就有了近相斥、远相吸的特征。

　　所以，倘若我们在大自然中观察到一种新的作用力，但新的作用力可以在四种基本作用的框架内得到解释，那还算不得什么大发现。但倘若发现的是一种全新的基本作用力，那意义可就大了，这意味着我们对宇宙将会有一个飞跃般的认识。

　　最近，天文学家就认为他们可能发现了第五种基本作用力，这种作用力只存在于暗物质之间，暂且称之为“暗力”。

　　“冷漠”的暗物质

　　前面我们已经提到，暗物质基本不与普通物质相互作用，所以此刻哪怕有成千上万个暗物质粒子“嗖嗖”地穿过你的身体，你也感觉不到。那么，暗物质与暗物质之间有没有相互作用呢?

　　对于这个问题，目前物理学家是这么看的：倘若两个暗物质粒子正好碰个正着，那么它们就相互湮灭，以光子的形式释放出能量。因为暗物质粒子有个奇怪的性质，它的反粒子就是它自身;但倘若是宇宙空间处于弥散状态的暗物质，因为缺少电磁力作用，它们彼此相遇，会毫无阻碍地穿越过去。

　　打个比方。你闭着眼朝一堵墙走去，被墙弹了回来。为啥会弹回来?为什么不能像《聊斋志异》中的崂山道士一样穿墙而过?说到底是由于电磁力的作用。在这个例子中，电磁力宏观上表现为弹力。倘若没了电磁力，那你是可以穿墙而过的。所以，崂山道士对着墙喊的那一声“过”，其实相当于向电磁力求情“电磁力啊，求你暂停作用一会儿，放我过去吧!”暗物质之间因缺少电磁作用，彼此相遇会穿越也就不难理解了。

　　暗物质的这个“冷漠”特性最早是被一个叫“子弹”的星系团所证实的。子弹星系团是两个星系团碰撞的产物。碰撞时，星系团中的绝大多数星系会不受影响地彼此穿越，因为它们之间有相当大的空隙。这就好像两个方阵相遇，因人员都错开了，所以能不受阻碍地穿过去一样。天文学家使用引力透镜间接地发现，子弹星系团中的暗物质也能不受影响地彼此穿越。

　　新的基本作用力现形?

　　但位于巨蟹座，距离我们52亿光年的另一个叫“火枪弹”的星系团却让人感到有些蹊跷，似乎推翻了暗物质的上述性质。

　　像子弹星系团一样，火枪弹星系团也是由两个星系团碰撞产生的，碰撞之前，每个星系团都各拥有数百个星系。

　　在这些星系里，可见的恒星只占星系总质量的大约2%，另外12%的物质是放射出X射线的温热气体，剩余86%是不可见的暗物质。因为星系团里星系是如此少，如此稀疏，所以两个星系团碰撞时，这些星系不受阻碍地穿越了过去。而热气体则因彼此碰撞受到阻碍，要比星系滞后。

　　如果暗物质的性质如上节所述，那么按理它们也应该可以不受阻碍地穿越过去。但出乎意料的是，通过观测发现，它们比起星系来竟然也滞后了。这个滞后显然是暗物质与暗物质相撞造成的。可是暗物质之间没有电磁力作用，阻碍是怎么来的呢?唯一的解释是，暗物质有自己的一种相互作用力，正是这种力产生了阻碍。而这种作用力是一种全新的基本作用力，即暗力。从性质上看，暗力应该是一种斥力。

　　如果这一猜测属实，那么这是第五种基本作用力的首次现形。

　　暗力的存在还可以解释天文学上一个由来已久的难题。如果暗物质之间在宏观上只有引力作用(弱核力只在微观的距离内起作用)，那么一个星系内的暗物质经过数亿年早就应该被吸引到星系中心一个密集的区域了。但实际上我们看到，暗物质像弥散的气体一样几乎均匀地分布在每个星系内。除非这些暗物质之间还有排斥力，才能产生这种效果。

　　如果真有暗力，那前述的子弹星系的碰撞又如何解释呢?我们前面说了，在那儿两个星系团里的暗物质彼此不相妨碍地穿越了过去。天文学家猜测，产生子弹星系团的那两个星系团都太年轻，在它们中暗物质分布更加稀疏，所以，暗力基本上没起作用。

　　如果暗力真实存在，一个老话题就不能不重提了：或许在我们身边存在着一个“暗世界”，这个世界由暗物质组成，它有自己“暗”版的一套基本粒子和基本作用力，甚至有“暗”版的太阳和地球，“暗”版的人类。他们指着我们世界里的普通物质说“那是暗物质”，指着我们说“那是‘暗’版的人类”。这样想下去，既有趣又恐怖，不过在暗力得到证实之前，还是让我们先打住吧。