操控宇宙的幕後黑手

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（參見科學人雜誌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（參見科學人雜誌延伸閱讀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。

　　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」（參見科學人雜誌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。

　　暗能量也能解釋星系團的演化。在宇宙還只有不到現有年齡一半以前，當時就已存在的古老星系團，總質量與今日的星系團相當，也就是說，在過去的60~80億年間，星系團的質量實際上並未增加，這個停滯的現象暗示了宇宙在現有年齡的一半時，星系便不再凝聚成團了，這是暗能量在大尺度上影響星系交互作用的直接證據。天文學家早在1990年代中葉就已經知道，在過去80億年裡星系團成長不多，他們將這些現象歸咎於宇宙的物質密度比理論估計的低許多，而暗能量解決了觀測和理論間的矛盾。

　　有個例子可以說明暗能量如何改變星系團的歷史，那就是位在我們附近被稱做本星系群（Local Group）裡星系的命運。就在幾年前，天文學家還認為銀河系和最靠近它的鄰居仙女座大星系，以及伴隨著它們的衛星星系，會墜入鄰近的室女座星系團（Virgo cluster），但現在看來，我們應能逃脫這樣的命運，而且永遠不會成為大型星系團的一部份，暗能量會導致我們與室女座星系團間的距離膨脹，速度快到本星系群無法趕上。

　　藉由扼殺星系團的發展，暗能量也控制著星系團內星系的構造。星系團的環境有利於各種星系的形成，製造出稱為透鏡星系、巨橢圓星系與矮橢圓星系等形狀各異的星系。透過調節星系聚集形成星系團的能力，暗能量支配了這些星系類型的相對數量。

　　這故事挺動聽的，但真實性如何呢？星系的合併、黑洞的活動與恆星的形成都隨著時間而衰退，它們極有可能是以某種方式相互關聯著，但是天文學家尚未能完全連結這一整個系列的事件，目前我們正利用哈伯太空望遠鏡、錢卓X射線太空望遠鏡和高靈敏度的地面攝影與光譜儀，進行巡天觀測，將在未來幾年內仔細檢視這些事件之間的關聯；有個方法是先普查遙遠活躍星系的數量，然後估計它們上次發生合併的時間，此項分析工作將需要發展新的理論工具，這也是接下來數年內我們的短期目標。

牽一髮而動全身 
　　由暗能量主導宇宙的加速，是個合理的解答，它可以解釋星系族群裡產生的所有已觀測到的變化，也就是星系合併的中斷和伴隨而來的必然後果，例如喪失形成恆星的活力，並終結星系型態的變換。假如沒有暗能量，星系合併的活動可能會持續得更久些，那麼今天的宇宙裡將存在著更多由古老恆星所組成的大型星系。同樣地，宇宙中低質量系統的數目會更少，而像銀河系這樣的螺旋星系數量將會稀少許多（假設螺旋星系無法在合併過程中保存下來）。星系的大尺度結構可能會束縛得更緊密，而且會發生更多次的結構合併與吸積。

　　相反地，如果暗能量的強度比現在更大，宇宙中的星系合併事件會減少，使大型星系與星系團的數量更少。由於在時間的長河裡，星系間較少發生合併，星系團的質量將不會那麼高，甚至不會有星系團存在，因此螺旋星系與低質量的不規則狀矮星系會變得更普遍。同時，恆星的形成數量可能比較少，使得宇宙裡處於氣體狀態的重子質量比例較高。

　　雖然這些過程似乎離我們相當遙遠，但星系的形成方式其實也影響我們的存在。只有恆星才能製造出比鋰重的元素，而那些重元素則是建構類地行星與生命的必需材料。假如恆星形成率太低，就無法製造出夠豐富的這類元素，那麼宇宙將不會有這麼多行星，可能也就不會演化出生命。因此，暗能量可能對宇宙裡許多不同且看似毫不相干的事物，有著深遠的效應，甚至影響了地球的歷史細節。

　　暗能量當然尚未完成它的工作。它看來似乎對生命有益：宇宙加速將可避免天文學家不久之前還在擔憂的事情宇宙最終會崩塌。但暗能量也帶來其他的風險，至少，它驅趕遙遠的星系，使它們後退得太快而永遠消逝在我們的眼前，我們的星系和鄰居的周遭逐漸淨空，把我們遺留在日益孤寂的島上；星系團、星系甚至漂浮於星系際空間的恆星，終將遭禁錮於極有限的球狀區域，其重力可及的範圍將不超過它們本身的大小。

【本文轉載自《科學人雜誌》2007年3月號】