撰文/萊貝斯凱德（Noam I. Libeskind）
翻譯/李沃龍
電腦模擬顯示，暗物質之網緊抓著宇宙裡的各個星系，使得銀河系裡的矮星系全都落在一個奇特的平面上，但暗物質是否真的存在呢？
重點提要
■星系形成的理論顯示，小型衛星星系構成的球狀暈應該包覆著我們的銀河系。但由於一直搜尋不到足夠數量的小型衛星星系，有些人開始質疑宇宙學的基本學說。
■天文學家觀測到的衛星星系，大致排列在橫切過銀河系的一個平面上。
■天文學家透過新的電腦模擬，利用巨大的暗物質之網便可解釋小型衛星星系數量與其特殊排列的原因。
大多數星系就像銀河系一樣，有著數十個衛星星系繞著它們運行。這些衛星星系都極其暗淡──只有那些繞行著銀河系以及我們附近的仙女座星系、距離最近且最亮的星系才能被觀測到。但這些矮星系並非雜亂無章地恣意繞行，它們全都位於一個側向的平面上。
這種排列方式著實出人意表。模擬星系演化的電腦模型早已顯示，天空中任一方向上的矮星系數量應大致相當。長期以來，天文學家一向認為，這種球狀分佈是暗物質所導致的結果。暗物質是一種只透過重力與普通物質作用的神秘物質，天文學家認為，宇宙裡瀰漫著暗物質，並在星系形成及宇宙膨脹的過程中扮演了關鍵角色。
由於矮星系的排列之謎實在令人傷透腦筋，包括克羅帕在內的一些天文學家開始質疑，暗物質是否確實存在。他打斷了我的演講，並說：「暗物質的說法是錯誤的，根據電腦模擬顯示，衛星星系會呈球狀分佈於銀河系周圍，但這明顯牴觸我們觀測到的現象。」
我提出另一種觀點，則嘗試以遠比銀河系巨大的宇宙暗物質結構，來解釋這些衛星星系的特殊排列。雖然無法說服一些如克羅帕般的懷疑者，但包括我在內的天文學家所做的新近研究均顯示，龐大的暗物質之網足以說明這些衛星星系在天空中獨特的排列方式。
行蹤不明的物質
位居這場辯論中心的暗物質，便是天文學家為了試圖解釋其他令人困惑的星系特性而提出的。1930年代，天文學家茲威基（Franz Zwicky）想測量后髮座星系團的質量，那是個由大約1000多個星系構成的巨大星系團。他首先測量了這個星系團裡每個星系的速度。他驚訝地發現，那些星系具有每秒數千公里的速度，快得足以撕裂這個星系團。那為何這個星系團沒有被撕裂呢？茲威基推斷，這個星系團必定充滿了一些看不見的物質，利用重力緊抓住那些星系。這種行蹤不明的物質，隨後命名為「暗物質」。
自80多年前茲威基首次提出這個說法後，暗物質的訊號便突然出現在宇宙的每個角落裡，幾乎每個星系中都可觀察到。在我們銀河系裡，天文學家從觀察星系外緣的恆星運動中，也推論出暗物質的存在。就像在后髮座星系團裡的星系一樣，這些恆星的速度太快，我們能觀測到的所有物質根本不可能抓得住它們。銀河系周圍的10多個矮星系，似乎擁有更高比例的暗物質。
大量的暗物質暗示著，它應該在宇宙的演化過程中扮演重要的角色。使用電腦模擬是研究這個演化的方法之一，從1970年代開始，宇宙學領域的研究人員便嘗試利用電腦程式模擬宇宙的歷史。這項技術是：先在電腦裡設定一個假想的方盒；把虛擬的粒子（每個點代表一個暗物質團塊）擺進方盒中幾近完美的格子裡；然後計算每個粒子受到盒中所有其他粒子的重力，再根據每個粒子「感受到」的合力移動它們，並反覆進行上述長達130億年的過程。
如今，這些步驟雖進展得比1970年代複雜許多，但仍然使用這項基本技術。40年前，電腦模型一次只能處理幾百個粒子。現在，最先進的電腦模型可在一個相當於可觀測宇宙大小的體積裡，成功運算數十億個粒子。
以電腦模擬宇宙已成為研究個別星系的有效方法，但它也產生了一些明顯的問題。例如，電腦模擬顯示，那些繞行在銀河系周圍、瀰漫著暗物質而稱為暈的結構，應該會把氣體與塵埃拉進個別的團塊。這些團塊會因重力而塌縮，最終形成許多恆星與矮星系。在銀河系的狀況中，暗物質的無所不在代表我們應該能夠觀測到數千個小型衛星星系。但當我們眺望夜空時，卻只觀測到數十個衛星星系。在1990年代，天文學家首次確定了無法找到這麼多的矮星系，此後這便稱為「失蹤的衛星星系問題」。
more
沒有留言:
張貼留言