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这是一种创造了生命的神秘存在,而我们对它几乎一无所知

时间:2015-11-28 20:10:26  作者:妙音  来源:妙音网  浏览:195  评论:0  微信分享亲友
星空天文 2015-11-27 11:23

这是一种创造了生命的神秘存在,而我们对它几乎一无所知

当我们越过银河系内的恒星,仰望宇宙深处的星系,就会吃惊地发现,我们所见的几乎一切,其实并不是宇宙的大部分。

这是一种创造了生命的神秘存在,而我们对它几乎一无所知

是的,太阳占据了我们太阳系99.8%的质量,天文学也已经向我们传授了许多关于恒星运作机制的知识。因此我们也许可以通过测量每个所见星系的全部星光——所有类型、所有波长——来获知它们的质量。

与此同时,我们也已知道引力运作的法则,知道天体在引力作用下的运动方式,取决于天体系统的总质量及其内部的质量分布情况。因此,我们也可以通过分析星系及其内部恒星的运行方式,和星系在星系团中的运动方式,来获知它们的质量。

但是当我们把上面两种测量方式的结果进行比较后,就会发现一个令人震惊的事实:通过星光测量法测得的质量只占引力测量法测得质量的五十分之一。

宇宙中除了恒星还有大量不同的物质形式,比如:

  • 恒星的残骸,如白矮星、中子星和黑洞,

  • 小行星、行星和其他无法成为恒星的小质量天体(如褐矮星),

  • 存在于星系中和星系之间的中性气体,

  • 不透光的尘埃和星云区,

  • 离子化等离子体,多存在于星系际介质内。

这些普通物质形式——或者说这些与我们同源的物质:质子、中子和电子——确实为宇宙作出了巨大贡献,尤其是气体和等离子体,它们各自的总质量都比宇宙中恒星的总质量还要多。但即使把所有这一切加起来,也只占我们通过引力测量法测得的可观测宇宙总质量的15-17%。要解释我们观测到的天体运动方式,就需要假想存在着一种新的物质形式,这种物质不但与质子、中子和电子不同,而且也与标准模型中的所有已知粒子不同。我们需要一种黑暗的、看不见的物质。

这是一种创造了生命的神秘存在,而我们对它几乎一无所知

这些相撞的星系团清晰地显示了普通物质(粉红色)和引力效应(蓝色)间的区别。

部分科学家倾向于不在模型中加入某种看不见的质量源,而是修改引力法则。但要建立这样模型难度非常大,无法还原包括单一星系在星系团内的运动、宇宙微波背景、星系团的相撞(上图),以及在大尺度宇宙结构中观测到的宏观网状结构或纹理等所有观测结果。

然而有一个重要的证据,或许能够证明暗物质的存在:生命。这可能会让人吃惊,暗物质不但可以用来解释星系自转、星系团的运动和相撞之类的天体物理学现象,还能够用来解释生命的起源。

要理解这一点,首先是因为宇宙起源于宇宙大爆炸——现今的一切,都是从那个几乎完全一致、完全分离、完全自由的高能粒子海洋中产生的。随着宇宙的扩张和冷却,质子、中子和最轻的原子核(氢、氘、氦和微量的锂)逐渐产生,但除此之外,别无它物。直到数千万甚至数亿年后,物质才坍缩成密度足够大的区域,恒星、星系才得以从中产生。

无论有没有暗物质,这一切都会发生,尽管细节上可能有所不同。但是要产生足够多的生命必须元素——碳、氧、氮、磷、硫——它们就必须在宇宙间最大的恒星内核中进行锻造。要形成岩石行星、有机分子和生命,这些重原子必须被抛射到星际介质内,在那里,它们方可被下一代恒星循环利用。要完成这个循环,我们就需要一次超新星爆发。

这是一种创造了生命的神秘存在,而我们对它几乎一无所知

我们对这类恒星爆发现象的细节已经了解了很多,特别是,我们已经知道这些物质在从恒星中抛出来时的速度有多么高:大约每秒一千公里以上。(仙后座A超新星遗迹是我们星系中最近一次经确认的超新星爆发留下来的,它的抛射物移动速度达到了惊人的5000公里至14500公里/秒。)虽然这个数字看起来并不大,但是请和光速作个比较。与之相反的是,太阳围绕银河系运行的速度只有区区220公里/秒。假如太阳运行的速度比现在快三倍,那我们今天就早已摆脱银河系的引力,被甩出去了。

超新星的抛出物可能会高速离开明亮而富含恒星的星系主体,但是由于存在着一个弥漫的暗物质晕,在其引力的协助下,这些抛出物中的大部分才得以保留在我们的星系内。随着时间的推移,这些物质会逐渐返回富含普通物质的区域,形成中性的分子云,参与到下一代恒星、行星,以及更有意思的事件——有机分子的形成过程中,

如果没有围绕在星系周围的巨大暗物质晕,超新星抛出的物质必将永远离开星系。它们将在星系间的介质内自由漂荡,无法参与到下一代恒星系统的形成中。若是没有暗物质,宇宙中将只有恒星和星系,仅存的行星也只是气体巨行星,不会有岩石质的行星,不会有液态水,也将缺乏我们所知生命的原材料。没有大质量恒星提供丰富的重元素,像我们这样的分子基生命永远不会出现。

这是一种创造了生命的神秘存在,而我们对它几乎一无所知

因为有了笼罩在我们星系周围的巨大暗物质晕,碳基生命才得以在地球——或在宇宙间类似于地球的行星上存在。随着对宇宙的构成方式了解得越来越多,一个推论将不可避免:暗物质对于生命的起源十分重要。

没有暗物质,依赖重元素、复杂元素等原材料的生物化学作用——可能永远也不会发生。

文/Ethan Siegel译/老孙


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