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宇宙膨胀背后的故事(30):称量星系的体重

2020-03-19  老夫不请...

1998年底,《科学》杂志将宇宙加速膨胀的发现评为该年度的科学突破,并用了一个夸张的爱因斯坦漫画做杂志封面。

19981218日的《科学》杂志封面

漫画中这个白发飘逸、满脸惊异的爱因斯坦在烟斗里吹出一个个越来越大的“宇宙”,他似乎在对他的创造感到震惊。其实,把爱因斯坦抬出来作为宇宙加速膨胀的象征颇具讽刺含义。

爱因斯坦起先是为了让宇宙既不膨胀也不收缩而在广义相对论场方程中无中生有地引进了一个宇宙常数项。随后,他在膨胀宇宙的事实面前承认犯错,立即并永远地摒弃了这个数学上不优美的累赘。但他怎么可能想到,这宇宙常数项会在几十年后死灰复燃,成为宇宙加速膨胀的动力,见证他的一错再错。

那年的10月4日,特纳和皮布尔斯在沙普利和柯蒂斯当年(1920年)开展 “世纪大辩论”的同一礼堂中做了一场新辩论。本来,原计划是由皮布尔斯与施拉姆(David Schramm)辩论宇宙常数存在的可能性。施拉姆不仅是大爆炸宇宙学家,还是个业余飞行员。1997年底,他驾驶自己的飞机不幸坠机遇难。作为施拉姆的同事和契友,特纳接替了他的角色。当宇宙加速膨胀被发现之后,宇宙常数的存在与否已经不再是辩论主题。年方半百的特纳提出干脆辩论一个大问题:宇宙的本质已经被解决了吗?(The Nature of the Universe: Cosmology Solved?)

特纳曾经称神秘的暗物质是“胆小鬼”。他觉得“宇宙常数”这个词太拗口且含义不清,而宇宙的加速膨胀是否就在于爱因斯坦的宇宙常数也尚未定论,所以他提议干脆把这个新因素叫做“暗能量”(dark energy),与兹威基的能减慢宇宙膨胀的暗物质直接对应。作为一个此前毫无所知、看不见摸不着却又能推动宇宙加速膨胀的神秘力量的名字,暗能量简单上口名至实归,立即就被广泛接受。

对特纳来说,1998年是划时代的。广义相对论,加之暗物质和暗能量,已经能够完整地描述我们的宇宙。从这一年开始,宇宙学成为一门精确的定量科学,足以解答宇宙的本质。

在这一次辩论中,稳健、低调的皮布尔斯表现平平,只是指出不能过于乐观。善于演讲的特纳则意气风发。他尤其擅长用投影仪展示出一系列自己手绘的图片,花里胡哨引人入胜,使得这场辩论基本上成了他一个人的表演。

那么,神出鬼没的暗物质、暗能量在哪里?究竟有多少,又如何度量呢?

早在1936年春季的一天,一个陌生人走进《科学新闻快报》(Science News Letter)杂志编辑部,拿出一大摞手稿,要讨论他在广义相对论中的一个新发现。编辑对这类不请自来的“民间科学家”早已司空见惯,礼貌地接待了他。那人英语很差,专门带了个朋友翻译。经过一番艰苦交谈,他们了解到这人名叫曼德尔(Rudi Mandl),出生于现在的捷克。第一次世界大战时,他在奥地利军队服役,被俄国俘虏到西伯利亚当苦力。他逃回之后,在维也纳完成学业获工程学位。随后他便满世界颠沛流离,在南美、欧洲多个国家流浪。来美国后,他在一家餐馆打工谋生。

在餐馆洗盘子的曼德尔

曼德尔的想法直截了当:爱丁顿的日全食观测证明光线会因为太阳的引力拐弯,就像光线被棱镜折射。既然如此,就可以利用太阳的引力做透镜,聚集观测太阳后面的星星。杂志编辑对曼德尔这个诡异的想法无法定夺,于是给他买了一张火车票,让他去普林斯顿找爱因斯坦讨论。

4月17日,作为全世界最著名科学家,爱因斯坦在家里会见了这个餐馆伙计。他们可以直接以德语交流,倒是相谈甚欢。爱因斯坦并非觉得曼德尔的想法怪诞,因为他早在1912年就琢磨过这个叫做“引力透镜”(gravitational lensing)的问题,那时还没有广义相对论。

其实,光线因为引力拐弯并不是因为广义相对论才有的概念。据说,伽利略曾在比萨斜塔上扔下两个重量不同的球,以它们同时落地证明亚里士多德的谬误。虽然这个传说没有根据,但这个实验本身并不离谱。在牛顿力学中,引力与质量成正比,而力所产生的加速度与质量成反比。这说明物体在引力场中的运动与其质量无关(这里姑且未穷究所谓“引力质量”与“惯性质量”的概念区别)。即使是没有质量的光,也可以被认为遵从同样的运动轨迹而被引力扭转方向,区别只在于光的速度非常大,它受引力影响偏离直线的幅度也就非常小。

在爱丁顿那次远征的第前五年,爱因斯坦的助手、德国天文学家弗劳德里希(Erwin Finlay-Freundlich)就曾远赴俄国观测1914年8月21日的日全食,以验证星光受太阳的影响。但他不幸遭遇了随即爆发的第一次世界大战,被俄国人拘捕而错过机会。一战结束后,爱丁顿才于1919年得以成功拍摄日全食时的恒星位置,证实光线的弯曲。那时广义相对论已然问世,这个新理论预测的光线弯曲幅度比经典力学大一倍,更接近爱丁顿的观测结果。

无论是经典力学还是广义相对论,太阳对光线的“折射”都微乎其微,没法真的当透镜用。所以,即使在爱丁顿震惊世界之后,爱因斯坦也没再琢磨引力透镜问题。曼德尔来访时,他已经忘了20多年前所做过的这道题,现在又陪着来客一五一十地从头推导了一遍。

曼德尔回家后,他们还继续通信交流。几个月后,爱因斯坦似乎失去了兴趣,不再回复曼德尔的频繁探询。无奈中,曼德尔再次向《科学新闻快报》求救,要他们去催一催。好奇的杂志社便去信询问爱因斯坦,很快爱因斯坦回复:是的,是的,曼德尔的想法有点意思,我正准备发表论文。

随后,爱因斯坦给《科学》杂志提交了一篇不到一页篇幅的小稿件,发表在该刊的“讨论”栏目中。他没有把曼德尔列为共同作者,而是以第一人称和罕见的聊家常方式开篇:“不久前,曼德尔来看我,要求我发表一项我应他要求所做的计算结果。这份笔记兑现他的愿望。”在这篇短短的文章里,他详细描述了引力透镜的原理,但两次强调不可能真的观察到这一现象。

爱因斯坦还在投稿信上专门向编辑解释,“请让我感谢你们的合作,这篇小文是被曼德尔先生从我这里硬挤出来的。它没有什么价值,但会让那个可怜家伙高兴。”(``Let me also thank you for your cooperation with this little publication, which Mister Mandl squeezed out of me. It is of little value, but it makes the poor guy happy.")

毕竟是出自爱因斯坦之手,这篇“没有什么价值”的稿件在1936年12月4日的《科学》杂志上发表。

引力透镜概念其实也早于爱因斯坦。在牛顿建立经典力学后不久,这一说法就曾多次提出。直至曼德尔不依不饶的“硬挤”, 引力透镜概念才得以堂而皇之地在著名学术期刊上面世。自此,凡与引力透镜有关的介绍以及相关术语都与爱因斯坦的大名相连。

锲而不舍的曼德尔自然不只是在爱因斯坦那里下功夫。如同其他“民科”一样,他广泛联系了众多名家,但只有爱因斯坦把他当回事。他联系的名家还有美国无线电公司(Radio Corporation of America,简称RCA)的俄国工程师佐利金(Vladimir Zworykin)。佐利金当时正忙于发明电视机,就好奇地把这个怪念头转告了他的朋友、天文学家兹威基。

兹威基本来就是以类似的怪点子著名,他马上领悟了其中的价值。在兹威基看来,爱因斯坦不是天文学家,他眼里只有太阳那样的恒星,但太阳不足以凸显引力透镜的效应。兹威基眼光深远,他正在研究的星系是由几亿、几十亿颗恒星组成,其引力比太阳要大几亿倍。尤其是,星系中还有他刚刚发现、被他定义的暗物质提供更多的引力。

兹威基意识到,引力透镜的价值不在于观察遥远的星星,而是反过来观测“透镜”本身。如果能够观察到引力透镜效果并测量光线因之折射的程度,就能相当准确地推算出作为透镜的那个星系的总质量乃至内部的质量分布。此与鲁宾和福特的星系旋转速度分布类似,是一个精确测量星系质量的更新、更好的方法。

就在爱因斯坦论证引力透镜不可能实现的一年后,兹威基在他提出暗物质概念的那篇论文中同时指出利用引力透镜作为寻找暗物质的手段。然而,他超前历史太多,与他另外提出的中子星、超新星等许多概念一样,他的创见还没法付诸实践。

1979年正是暗物质概念在逐渐被接受的阶段,天文学家第一次在观测遥远的类星体时看到了引力透镜效应。这是几代天文学家和一个餐馆小工的想象由此进入实践领域。

要观察到引力透镜现象,不仅作为“透镜”的星体需要提供足够的引力,而且它与地球以及远方的发光体必须构成一条直线,让发出的光穿过透镜(掠过星体)来到地球。人类本身没有办法操纵恒星、星系的相对位置,只能被动地等待、寻找合适的时机。弗劳德里希、爱丁顿等人之所以需要等待日全食的机会,就是因为要用太阳做透镜,只有在日全食时月球挡住了太阳本身的强光,才能观察到它折射的远方恒星的光。

严格讲,引力透镜并不真的是个透镜,或至少不是日常意义的透镜。普通透镜是根据光学原理精心设计磨制的,它可以把远方到来的所有平行光束全部聚集在一个焦点上,从而起到放大光强的作用。恒星、星系的引力对光线的偏折是天然的,并没有一个特定的焦点。或者说,光源与透镜构成的那条直线上处处都是焦点,分别聚集了穿过透镜不同区域的光线。也就是说,地球并不需要处于某个特定点时才能观察到引力透镜现象,只要与光源和透镜三点成一线时就有可能。而且,伴随着这三者几何关系的微妙差异,还能观察到不同的神奇图像。

爱丁顿寻找并证实的是被太阳遮挡的恒星位置在天幕上与没有太阳遮挡时相比有偏移。这是因为,当恒星的光线被太阳偏折之后,再往后延长的“视线”落到了天幕上略微不同的地方。他看到的是恒星光线从太阳的一侧通过时被偏折而形成的影像,这要比原来的恒星位置向远离太阳的方向挪开了一点。

然而,恒星的光同时也可能从太阳的另一侧通过而来到地球。假如爱丁顿能同时拍摄到两边的光,他会看到同一个恒星的两个影像分别处于太阳的两侧。如果同时还拍摄到恒星从太阳上下通过的光线,就会看到上下左右四个影像。这个造型被称为引力透镜的“爱因斯坦十字”(Einstein cross)。

当地球、太阳、恒星能形成最理想的对称形态时,太阳周围各个方向都会传来该恒星被偏折的光,汇聚在地球这一个点上。这时能观察到的恒星影像是一个完美的圆环——“爱因斯坦环”(Einstein ring)。

哈勃望远镜拍摄的爱因斯坦十字(左)、爱因斯坦环(中)和引力透镜的原理示意图

太阳与地球的相对位置在不断变化,日全食的机会极少,这些理论上的推测与爱因斯坦对引力透镜的结论一样,不可能实现。但如果像兹威基那样把眼光放开到太阳系之外,以遥远的星系做透镜观察更遥远的星系,这样的可能性便不再渺茫。遨游在太空的哈勃望远镜,它使得这些海市蜃楼般的天文奇观一个个地展示在人类眼前。如果兹威基还活着,令他欣慰的不只是这些幻境般的美图,而且在1990年代,引力透镜也是探测他所预料的暗物质的最重要手段。

1988年,美国天文学家泰森(Tony Tyson)在观测中拍摄到一张壮观的照片。这是一个距离地球约50亿光年的星系团,其中有着一万亿个星系。这些星系只是照片上的亮点。泰森注意到亮点之外还有一些不规则的影像,他认为这不是来自该星系团本身,而是星系团背后另一个更远的星系的光。这个更远的星系距离地球有100亿光年,它的光在经过前面的星系团时受到引力影响,形成了一个相当强大的引力透镜。

正如兹威基曾经梦想的那样,泰森建立计算机模型,模拟星系团中的质量分布和对更远方的星光的引力影响,重构引力透镜的形状。通过与实际测量的效果对比,他推算出星系团的质量分布。

泰森发现的星系团引力透镜(左)和他推算出的星系团质量分布

这个质量分布图看起来像中世纪的城堡:上面每一个尖峰是一个星系的所在,那里的质量最密集。但令人惊奇的是在尖峰之间,也就是星系之间,同样也有质量存在。这正是我们视觉宇宙中的完全黑暗之处,本来应该是空空如也的虚无,却依然有着相当的质量分布。

事实上,虽然那些地方的质量密度不如星系所在尖峰处那么高,但它们占据的空间范围却大得多。因此,这些在星系之间散布的、看不见的质量在总体上是星系中可见的寻常质量的40倍。

在鲁宾和福特通过星系旋转速度证明星系中有暗物质之后,泰森的成果表明暗物质不仅存在于寻常物质所在的星系里,还“独自”弥漫于没有寻常物质的虚空中。这更让科学家相信暗物质是无所不在的,它也散布于我们的周围,甚至我们人体之中,而我们对它浑然不觉。

现在,我们不仅知道暗物质的存在,天文学家还有了探测它的工具。通过引力透镜,可以越来越精确地测定星系、星系团中的质量分布,无论其组成是发光的恒星或宇宙尘埃,还是看不见但属于“寻常物质”的黑洞,抑或是不寻常的暗物质,只要它们贡献、参与引力作用,都会在宇宙透镜中现身。

由此看来,天文学家已经有办法为星系称量体重,也就是对宇宙中的质量分布有了更准确的认识。特纳之所以有信心宣布天文学进入了精确定量科学,这也是重要因素之一。

曼德尔在与爱因斯坦讨论引力透镜时,他还提出了进一步的假想:也许过去某个时刻地球正好处于一个引力透镜的焦点上,因而遭到了来自天外的强烈辐射,引发地球上生物病变而发生大灭绝。也许这是恐龙末日的缘由。但爱因斯坦没有买他这个真正“民科”式想法的帐,往后他俩也没再打过交道。

爱因斯坦在《科学》上发表的那篇小文的确让这个“可怜家伙高兴”,但曼德尔后来依然浪迹江湖,四处推销他的各种发明创造。他每次都会拿出那篇文章,摆出一副“兄弟当年与爱因斯坦合作科研”的派头。不过他还是没能混出名堂,去世时默默无名。

皮布尔斯和特纳的辩论结束时,担任主持的天文学家盖勒(Margaret Geller)回顾道,80年前沙普利和柯蒂斯在这里辩论时还没有宇宙大爆炸概念。可以想象一下,如果再过80年,坐在这里的天文学家还会用我们今天的概念描述宇宙吗?她请在场的天文学家投票回答这个问题,结果超过半数认可那时候又会有一个崭新的、现在尚未认识到的宇宙模型。看来,特纳天花乱坠的演讲并没有说服自己的同行。

在新的模型到来之前,他们还必须构建、完善今天所认识的宇宙,一个含有暗物质、暗能量,并能精确定量地描述天道运行的理论。

来源:程鹗 的博客

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