第五章 暗物质就是暗天体

第五章  暗物质就是暗天体

 

5.1暗物质就是暗天体

 

前面谈了那么多，我们也许已经比较清晰了，所谓的暗物质，其实就是各种暗天体或尘埃或物质粒子。没有那么复杂，这个结论确实是让人失望的，少了许多遐想。

在我们太阳系中，暗物质就是奥尔特云区域数量巨大的粒子、原子、分子、尘埃或中小型天体，甚至还会有若干没有被发现的行星级别的天体，矮行星级别的天体就数不胜数了。因此，这里大有可为，是天文观测的好地方，很快，随着韦伯太空望远镜的发射运行，这里会有一大波天体发现事件。我们太阳系大概率不会存在褐矮星了，如果存在的话，应该已经被发现了，当然，不排除让人吃惊的事情发生。

在银河系中，所谓的暗物质除了分布在各个恒星系统中，这部分暗物质只占银河系总暗物质的一小部分。银河系大部分暗物质分布在恒星际区域的空旷区域，就是以流浪天体的形式存在于银河系中。粒子、原子、分子、尘埃、颗粒、小天体、矮行星、行星、褐矮星等流浪天体，在恒星际空间环绕银河系中心转圈。虽然其环绕轨道面依然以银盘面为主，不可避免地会有大量的例外。

在银河系旋臂尾部之外的广阔空间，更是暗物质的天地，这里的暗物质占据了银河系暗物质的大部分。这里的暗物质构成更为复杂多样，除了上面说得粒子、原子、分子、尘埃、颗粒、小天体、矮行星、行星、褐矮星等流浪天体之外，还有红矮星、以及大量的类似我们太阳的恒星，甚至黑洞。还有质量相当于几十万倍太阳质量的球状星团，以及质量更为巨大的矮星系，不止一个。

图64 英美科学家团队新发现的矮星系

前一段时间，一队科学家竟然在银河系边缘区域发现了好几个矮星系，这想想都是令人吃惊的事情，如此大的矮星系，距离我们如此近，竟然还被发现着。可见，漏网的矮星系是不少的，漏网的球状星团应该会更多，像太阳这样的明亮的恒星漏网的就不计其数了。不太明亮的红矮星本身数量或在恒星中占比就较大，漏网的那就更为壮观了，数量巨大的褐矮星全部漏网。自然是，这些漏网的天体或天体系统都是暗物质的一部分。

 

图65 欧美科学家发布的距离我们300万光年的三角座星系的环绕速度示意图，这是与我们银河系类似的涡旋星系。其环绕中心的速度大约是我们银河系环绕速度的一半，这意味着其质量只是我们银河系的四分之一。可见，我们银河系其实还是一个比较大的星系的。

三角座星系的环绕速度与我们银河系环绕速度的变化情况是类似的。这说明其也有几乎同样比例的暗物质，可见，暗物质在几乎所有星系中都存在，并且其存在情况与银河系是类似的。

三角座星系的环绕速度图还是值得我们鉴赏的，其实际测量的速度曲线是一个上坡曲线，这显示其物质或暗物质的分布密度，级别依然是与R的平方成反比，只是没有那么强烈了，即分布密度比银河系递减的速度慢了一些。在远离核心明亮区域的地方，分布着比例更大的暗物质。也就是，其周围的暗物质分布比例似乎比银河系周围的暗物质比例大。也许银河系之外的星系都是这样的吧，或具有这样的趋势吧！毕竟，距离我们遥远，其可见物质显得更少了，自然是被归入暗物质的物质占比增多了。

类似道理，在星系与星系之间的更为广阔的区域，也会分布着大量流浪的天体或天体系统，粒子、原子、分子、尘埃、颗粒、小天体、矮行星、行星、褐矮星、恒星、中子星、黑洞、球状星团、矮星系。还有星系团与星系团之间的开阔区域，也会分布类型齐全的流浪天体或流浪天体系统。在所谓物质空洞区域，宇宙物质稠密分布的纤维状结构之间的物质稀疏区域，不可避免地会有同样齐全的流浪天体或天体系统。此时，流浪的天体系统会更为庞大，星系，甚至星系团也会有。

 

5.2没有暗物质的球状星团

 

在引力作用下，把十个以上的恒星汇集到一起，形成的结构，称为恒星团。数量几十个或几百个恒星的恒星团，由于恒星分布密度不大，结构疏松，被称为球状疏散星团。这些疏散星团分布在星系的旋臂中，属于旋臂的一部分，主要也起源于旋臂中，没有什么特殊之处。我们太阳与附近恒星就构成了一个疏散星团。

 

图66 我国科技工作者翻译的欧美科学家绘制的银河系俯视图和侧视图。上图左边是常见的银河系俯视图，右边是银河系侧视结构示意图。除了我们常见的银河系旋臂与银核之外，还包括银晕，以及分布在银晕里面的球状星团。几万颗、几十万颗，甚至上百万颗恒星组成的恒星团，就是我们说的球状星团。
    几十万个恒星汇集一起，星团内部恒星分布很稠密，其外围是我们太阳系附近恒星分布密度的几十倍，核心部分是我们太阳系附近恒星分布密度得上千倍。太阳系位于旋臂的边缘区域，附近的恒星分布密度较低，在旋臂的中心区域，恒星分布密度较大。球状星团是除了银核之外，恒星分布最稠密的地方，也就是球状星团恒星分布密度低于银河系中心（银核）的分布密度，但明显高于银河系旋臂区域的恒星分布密度。

 

图67 欧洲南方天文台拍摄的半人马座Ω星团，由于自转关系呈椭球状。

球状星团并不是完美的球状，而是椭球体。这个事实太美了，让球状星团不再令人费解，这体现了其内部的引力作用进化趋势，物质分布总是趋于集中化的。球状星团的恒星或物质分布密度也是与半径R成反向关系，这个事实也是令人满意的，符合我们的感觉。

球状星团里面的恒星通过高速环绕中心运动，平衡中心区域的引力作用。根据椭球体的形态，其内部恒星运行至少是部分有序的，而不可能完全地杂乱无章，因为那样的话，太容易碰撞了。

球状星团中心都有一个大质量天体，即相当于太阳质量上千倍或上万倍的中型黑洞。同样的规律，球状星团质量越大，其中心黑洞的质量就越大，反之亦然。

球状星团这种天体系统，与银河系是同期形成的，应该是银河系的兄弟。只是银河系中心黑洞运气更好，发育得更快，形成了远超球状星团中心黑洞的质量，自然形成了更大的势力范围，甚至把球状星团的势力范围也纳入了自己的势力范围。导致球状星团处于很尴尬的境况，不自由了，受到银河系的摆布。

球状星团与银河系同时生长发育，在银河系壮大的同时，球状星团也在扩充势力，形成了自己的天体系统，其规模比矮星系小一些，也有众多的恒星围绕球状星团转圈。在银河系蓬勃发展时期，比如，只是现在银河系范围三分之一的时候，也许是在100亿年前，那时的球状星团自己所属的天体系统要比现在的球状星团大得多。核心部分与现在的球状星团差不多，但是那时的球状星团的外围也环绕着数量超过核心部分几倍的恒星。虽然没有现在的矮星系大，但也是很壮观的。

随着银河系的发展壮大，不仅与球状星团的祖先（前身）争夺游离的恒星，更进一步，也把球状星团的前身纳入自己势力范围，成为银河系的卫星系统。随着银河系的进一步壮大，球状星团连卫星也做不成了，干脆被银河系吞并了。也许用不了几亿年，被捕获的球状星团祖先要与银河系旋臂碰撞。结果很严重，球状星团祖先外围的恒星被银河系旋臂恒星体系碰散了。球状星团祖先开始逐渐真正地成为球状星团了，没有外围恒星了，只剩余中心球状恒星区域了。估计一次碰撞，完成不了球状星团祖先（前身）外围恒星的逃离，那就再多几次碰撞，反正有的是时间。

球状星团小几亿年一个环绕周期，一个周期能碰撞银河系旋臂两次，到现在已经碰撞几十次了，甚至50次以上。球状星团祖先携带的外围恒星早就丢光了，这些恒星大部分早就成为银河系旋臂的一部分了，小部分应该还在银河系银盘之外流浪。

 

图68 欧美科学家绘制的包括了球状星团环绕轨道的银河系侧视全景图，这三个大小不一样的明亮轨道，就是模拟的球状星团运行轨道。其轨道与银盘有明显的夹角，也就是球状星团的环绕银河系中心的方向与银河系旋臂恒星的环绕方向差异很大。这种明亮代表的是轨迹，并不是沿途散落了或分布着这么多恒星。

现在的球状星团是不会畏惧银河系旋臂的，由于其质量庞大，近百万倍的太阳质量，并且恒星分布稠密，相互引力作用强烈，非常团结。与银河系旋臂恒星碰撞的结果是，大概率的是吸纳银河系旋臂被碰撞得恒星，而自己却并不损失恒星，其外围也许会损失球状星团沿途新吸纳的恒星。球状星团轨道特殊，沿途流浪的天体很多，上亿年的时间，其必然会捕获一些天体。因此，每次与旋臂碰撞，总会留下一些天体。不过，这对球状星团无伤大雅，球状星团核心区域质量不仅不会减少，而且还会增多。

核心区域直径二十多光年，总区域直径上百光年，意味着每次与旋臂碰撞，就是碰撞的区域是银河系悬臂边缘，比如太阳系附近，也能吸纳旋臂几颗恒星。其他区域，碰撞吸纳几十颗甚至几百颗恒星不成问题。这些被吸纳的恒星，大部分会成为其恒星环绕体系的一部分，小部分会坠入球状星团的中心黑洞。可见，球状星团与旋臂每次碰撞都会进行恒星（质量）置换的，外围的留下，核心区域质量增加。总体上，估计，球状星团质量会增加。

银河系旋臂真的不是球状星团的对手，虽然银河系整体捕获了球状星团祖先，但是球状星团确实在银河系内部随心所欲，畅行无阻，无人能挡，对银河系旋臂具有强大破坏力。问题是球状星团还在长大，密度与质量会越来越大，这确实对旋臂是巨大威胁。也威胁着银河系旋臂中的生命，我们祈祷球状星团不要经过太阳系区域。这样的话，我们真的毫无办法。

球状星团本身恒星分布稠密，自然很难发育恒星的行星系统，也就是说，几乎没有行星，自然就没有生命了。就是上百万颗的球状星团也大概率没有生命存在。球状星团外围恒星是可以发育行星系统的，特别是球状星团沿途捕获的恒星，大概率会有自己的行星系统的。不过就是如此，也是不行的，因为，球状星团轨道太不安全，沿途碰撞极为频繁。外围恒星的行星根本没有机会孕育出生命。同理，在银盘之外流浪的恒星，都是大概率得有自己完整的行星体系，不过，其所处空间太不安全，碰撞机会太多，应该孕育不出生命。

可见，我们银河系旋臂区域，恒星有序运行，相互碰撞机会少，是孕育生命的较好区域。当然，太阳系这样的旋臂边缘区域更好，具备很好的行星进化体系，以及最好的生命孕育机会。看来，寻找地外生命，在旋臂边缘区域寻找较为恰当，这里的恒星往往具备良好的行星体系，以及良好的生命进化保障条件。

不能拥有行星的恒星组成的球状星团，自然是没有暗物质的。球状星团虽然分布在远离银河系中心的区域，虽然银河系的这个位置已经开始分布暗物质了（银河系中心的银核没有暗物质，再靠外的地方就开始有暗物质了），但是球状星团并没有暗物质，这是球状星团比较特殊的地方。我们可以得出一个小结论；可见天体稠密的地方没有暗物质。在银河系中心区域，恒星更为稠密，这里的恒星也不具备形成行星体系的条件。这里的恒星也是没有行星的，自然是不可能有生命的。

球状星团恒星间距太小，游离于恒星之外的星际物质太少，连行星系统也没有机会形成，更何况恒星了。因此，球状星团都是老年恒星，除了新捕获的恒星，没有年轻恒星。

在这里讨论球状星团的主要目的是：我们需要知道球状星团没有暗物质。这是多么有意思的事实，这个事实明显倾向于我们设想的暗物质存在模式，暗物质就是不发光或发光少的物质或天体。不然的话，暗物质理论真的需要认真解释球状星团没有暗物质这个事实。如果说，银河系中心的银核区域没有暗物质，暗物质理论似乎还可以糊弄过去。但是，在银河系旋臂区域或更靠外的拥有大量所谓暗物质的区域，却唯独其中的球状星团没有暗物质，这就太难解释了。我们前面的暗物质逻辑，不需要特别解释，就可以顺理成章地轻松解决球状星团没有暗物质这个事实。我们还同样可以轻松解释银河系中心或河外星系的中心区域没有暗物质的原因，实际上，这些事实都是暗物质理论不好解决的问题。

 

5.3子弹头星系团并不必然需要暗物质

 

图69 这是我们第一章介绍过的两个高速碰撞的星系组成的子弹星系团。星系团的星系相距200万光年，相对速度就可以达到上百千米，相距10万光年，此时两个星系就已经碰撞到一起了，相对速度可以达到上千千米。如此高的星系碰撞速度，导致其中的气体分子炙热起来，高温的气体分子会辐射出x射线，形成了外形像子弹头的气团，图中红色部分。

X射线波段的观测表明，两个星系团在碰撞、融合时，主要物质都集中在子弹状的红色气团中。外围的蓝色部分并不辐射太多的x射线，这显示蓝色部分并没有太多的天体。但是蓝色部分却有明显的引力透镜效应。既然蓝色部分并没有太多的天体，为什么会表现出如此显著的引力透镜呢？自然是，蓝色区域充斥着大量的暗物质。虽然可以这样解释，但也可以换一种说法。

我们知道星系外围拥有大量暗天体组成的所谓暗物质，两个星系虽然以高速碰撞，其过程依然是漫长的。按照一千千米每秒的碰撞速度，虽然在碰撞过程中，速度依然会增大，但增大幅度已经不大了。如果两个星系都是10万光年的尺度，需要三千万年的时间，才能彻底重合到一起。考虑到碰撞速度会提高，从开始接触碰撞到重合过程，也大致需要两千万年时间。我们在地球上用几个月或几年，甚至几十年观测这两个碰撞星系，看到的依然是瞬间状态。

 

图70 此图所显示的状态，只是两个星系正在碰撞的瞬间过程，还没有彻底完成。两个星系的后面所拥有的物质还没有发生碰撞，只是两个星系的前面或中部的物质或天体发生了碰撞。在碰撞区域呈现出较高的气体温度，辐射较多的X射线，是自然而然的，没有什么特别之处。后面跟随的还没有碰撞或将要碰撞的物质或天体，温度不高，X射线不多，难道不应该吗？可见，这种碰撞完全可以用我们前面对暗物质（暗天体）的认识来解释，并不需要真正的暗物质概念。

我们已经知道，星系的外围拥有大量的普通物质构成的暗天体，如果两个星系相向正面碰撞，两个星系都会被加速。但是，星系并不是一个质点，拥有巨大的尺度，这意味着星系不同区域的物质或天体被加速的程度不一样。处于前面的碰撞面的物质或天体，获得的引力加速度最大，在每个星系运动方向的后面的物质或天体，获得的加速度最小。此时，两个碰撞星系都会被对方星系的引力拉伸，本节图中的子弹头星系团就是两个星系碰撞结合，还没有彻底完成重合的状态。两个星系的各自的最后面物质或天体还没有参与碰撞，两个星系的最后面的物质或天体构成，其实就是星系的所谓的暗物质区域。实际上这里依然是各种普通物质或暗天体，只是不发光或发光少而已。

我们的结论是，子弹星系团的情况并不必然需要选择暗物质的存在，有没有暗物质，都可以给予完美解释。

 

5.4我们用引力透镜效果感受暗物质（暗天体）的存在

 

图71 蓝色为聚集在阿贝尔1689星系团的暗物质，欧美天文学家们通过引力透镜定位了这些聚集。图中较大的亮点就是一个星系，单个星系的周围往往形成一团暗物质，星系集中区域，暗物质也集中。暗物质的分布也是不均匀的，有些星系周围的暗物质分布范围大一些，有些要小一些。如果蓝色的浓度代表暗物质的稠密程度（不知道是否是这个意思？），那么，星系周围的暗物质稠密程度也是有差异的，有的星系周围暗物质稠密一些，有的稀疏一些。总之，似乎也没有什么规律特征。

 

图72 这张星系团暗物质分布图，应该可以显示星系周围分布着暗物质。其暗物质在周围的分布尺度要比星系的可见物质分布尺度大几倍，其暗物质总量是极为壮观的。我们已经知道，许多恒星系统里面分布着所谓的暗物质，星系可见光区域也分布着大量的暗物质。在星系的可见光尺度区域内，暗物质已经占据近半了。在星系的可见光尺度内，包括暗物质和可见物质，二者加起来也不到星系总质量的一半。而星系的大部分质量就在可见光尺度之外。我们前面根据星系内部天体环绕星系中心的线速度时，可以得出这样的结论。通过引力透镜的研究图像，我们又得出类似的结论。这非常好，通过不同途径，得出同样的结论，这显示了我们分析的正确性，我们思考分析的路子是正确的。

图73 从引力透镜产生的效应，星系团CL0024+17被发现存在有一个暗物质圈，在这张哈勃太空望远镜相片里以蓝色显示出来。这个星系团不知道有多大，如果不是太大的话，这个蓝色的暗物质圈似乎在星系团的外围区域，也就是在星系团的外围，分布着大量的暗物质。这些暗物质其实就是环绕星系团的暗天体。如果真的如此的话，这也显示星系团竟然可以与恒星系统或星系一样在自己周围形成区域广阔的暗天体分布环带。其周围环带拥有的暗天体质量远超星系团质量，这应该与恒星系统或星系的情况类似。恒星系统周围的暗天体质量超过自己中心天体的质量，比如，我们太阳系，奥尔特云区域分布的暗天体质量可以超过太阳的质量。

 

图74 如果这团暗物质真的在星系团的周围，那么这团暗物质大概率的是球状的。这种暗物质与其他地方的暗物质性质是一样，都是无数的暗天体汇集而成。我们知道，距离星系团中心越近，暗物质分布就越稠密，这几乎是所有天体系统物质分布的普遍情况。星系团中心区域，暗物质稠密，呈现出了明显的暗物质存在性。随着远离中心区域，暗物质分布密度急剧下降，引力透镜效果就不明显了，感觉的暗物质就少了。

    引力透镜效果在大范围区域不好感觉或不明显。引力透镜在物质密度发生递变的情况下，才能逐渐感觉到。比如，暗物质的边缘区域，可以感觉明显的引力透镜效应，因为这里是密度发生递变的区域。如果物质密度变化不大，就是再多的物质，也不好感觉引力透镜效应。比如，在星系团的非边缘区域，这里依然有同样密度或同样多的暗物质，但是由于暗物质分布密度差异不大，因此，是感觉不出引力透镜效果的，给人的感觉，相当于这里没有暗物质。而星系团中心区域，暗物质密度明显增加，产生了明显的密度变化，自然可以给人产生暗物质感觉。

 

图75 这是一张由夏威夷凯克望远镜利用星系引力透镜效应获取的图像，科学家们认为这个遥远的星系主要由神秘的暗物质组成。有了前面的灵感，我们研究这幅图，似乎简单多了。这是用红色表示暗物质分布，红色越亮，表示暗物质越多，这是科学家根据引力透镜效应的大小，得到的观点。

     实际上，很有可能不是这样的。我们已经知道，大范围暗物质的引力透镜效果与小范围暗物质的引力透镜效果是不一样的。此图显示了一种大范围的引力透镜效果，这是一个星系尺度的暗物质团，距离我们远近适中，其属于大范围暗物质引力透镜效应。星系尺度并不必然对应大范围暗物质引力透镜效果，并且，绝大部分并不是这种情况。距离再远一些，星系尺度就不是大范围暗物质引力透镜效果了。

此星系团的球状暗物质分布的边缘区域，有着明显的引力透镜效果，在一定的尺度范围内，存在明显的暗物质密度差异或暗物质分布差异，也就是从边缘到里面拥有越来越多的暗物质，引力透镜效果非常明显，让人感觉到了明显的暗物质存在。继续往里面前进，暗物质分布空间差异不大了，暗物质对光线的引力作用效果相互中和了，引力透镜效果逐渐不明显了，我们也就不容易感觉到暗物质的存在了。实际上，这里有更多的暗物质。

在接近星系中心区域的时间，暗物质密度明显大了起来，并且暗物质的分布厚度也是逐渐增大的。因为暗物质是球状的，穿过暗物质球的中心区域，自然可以经过更多暗物质，相当于穿过了暗物质球的直径。穿过暗物质球的其他区域，路径自然比直径要小，在暗物质密度相同时，光线穿过的暗物质自然要少一些。实际上，暗物质球的中心区域的暗物质密度也大。此时，穿过暗物质球中心区域的光线，又开始有明显的引力透镜效果了，我们此时又感觉到明显的暗物质存在了。

 

图76 美国科学家把同一个区域的可见光图像与根据引力透镜得到的暗物质图像放到一起的对比视觉图。两幅图虽然视觉差异很大，但还是有些相仿之处的。至少，从这两幅图的对比中，可以感觉到可见物质与暗物质的分布具有很大的一致性。总体上，就是哪里可见物质多，那里暗物质就多，反之亦然，可见物质与暗物质相伴而生。具有同甘苦共患难的特征。从更细的角度看，可见物质分布又与暗物质分布有明显不同。这体现了二者相辅相成，又有不同的特征。什么特征呢？我们应该能感觉到，其实我们已经说过多次，可见物质在中部，暗物质在外围，暗物质大致成球状分布在可见物质的外围。

无论太阳系这样的恒星系，银河系这样的星系，还是本星系团或超本星系团这样的星系团，暗物质都在外围，呈球状包围着里面的可见物质。既然暗物质与可见物质的分布存在一定的差异，那么，星系的可见物质图像与根据引力透镜得到的暗物质图像有所差异自然是很正常的。完全一样的话，那就不正常了。

 

5.5宇宙大尺度结构现状对暗物质（暗天体）的需求

 

物质局部集中，整体物质均衡分布的宇宙大尺度结构状态，曾经引出了对暗物质的需求，其实这个也并不是必需的。等价地或等质量的暗天体（粒子、原子、分子、尘埃、颗粒、小天体、矮行星、行星、褐矮星、恒星、中子星、黑洞、球状星团、矮星系等）设想完全可以起到同样的作用，并不必然需要暗物质的存在。

我们知道，宇宙物质密度，决定局部物质的集中程度。因为物质密度决定引力大小，而引力大小决定物质的汇集水平。科学家计算得到，仅靠可见物质，是不足以实现现在的宇宙物质分布状况的。需要多几倍的物质，才能实现现在的宇宙物质分布状况。这就是宇宙大尺度结构对暗物质的需要，其实暗天体完全可以替代所谓的暗物质，暗物质可以退出此领域了。

虽然如此情况，我们还是要谈谈大尺度宇宙结构的形成。这是在假设宇宙大爆炸之后，物质是均匀散开。也就是初始宇宙物质分布是高度均匀的，或者说至少局部区域是高度均匀的。宇宙大爆炸的急速膨胀，不要谈光速了，宇宙大爆炸初期，那速度快得吓人。听说那时还有空间膨胀现象，总之是不合常理的。一旦涉及宇宙学，我们就要只管其一不管其余，这是宇宙学风格。理解不理解，就暂且这样认为吧！

我们知道均衡状态的气体分子，内部依然会有密度或速度等物理量的涨落现象，这是一种随机性的概率现象。物质分布均匀的宇宙，也会产生局部密度分布的涨落现象。好，到这一步就好了。一旦有局部物质密度的涨落现象发生，局部区域引力作用就不再均衡了，就会产生引力作用差异现象，物质就会在引力作用下开始集聚。平衡一旦被打破，集聚就会发生，并且集聚是一种加速行为。因为，越集聚，产生的引力差异就越明显，引力作用就越大，物质获得的加速度就越大，物质集聚自然是呈现逐渐加速状态。

物质集聚逻辑我们已经懂了，并且集聚的状态是逐渐加速的，我们也已经知道了，那么物质集聚的平均速度与什么有关呢？根据引力公式，引力的大小与常数G有关，这个我们认为是不变的，可以不管他。还与距离的平方成反比，由于物质间隔距离几乎是从零开始的，或需要经历同样的路程，因此，这个也可以不考虑。只剩余质量了，这个必须要考虑了。

事实上，此时的质量与密度几乎是等价的。也就是局部的物质密度决定了物质的集聚速度，因为物质密度决定加速度，而物质集聚的速度由加速度与时间决定。根据加速度公式，与加速度作用下的距离公式，也就是集聚物质获得的速度与移动的距离都与加速度成正比。而集聚物质获得的加速度与局部物质分布密度成正比，在体积一定时，也就是与局部物质质量成正比。因此，宇宙局部区域物质集聚的速度与局部物质的质量成正比，即与局部物质的物质密度成正比。

宇宙大爆炸之后到现在的时间我们已经知道，怎么知道的？我也不知道怎么知道的。不要较真，宇宙学太繁杂了。根据公式S=0.5αtt，可以知道S是由α决定的，虽然α也是个变值，但如果把S分成若干段落，α就可以大致取某个值了。实际上根据公式，可以感觉到α与S成正比，由距离S可以估测加速度α。

距离S是谁呢？距离S就是宇宙物质空洞的尺度的一半，也就是根据宇宙多个物质空洞的尺度，感觉物质集中的程度。进而感觉加速度α，进而推测宇宙物质密度。这个推测的宇宙物质密度，与实际上看到的宇宙物质密度（即宇宙的可见物质密度）对比一下，就可以估测看不见的物质密度或物质总量了。这就是宇宙大尺度结构对暗物质（暗天体）的需求。

我们按照上面的逻辑，试一下吧！

美国明尼苏达大学天文学教授劳伦斯·鲁德尼科率领的团队发现了一个直径约为10亿光年的超级“空洞”，那里没有星体，没有星系，也没有神秘的看不见的暗物质。鲁德尼科和同事在美国《天体物理学杂志》上撰文说，他们是在研究全美射电天文观测台和美国的“威尔金森微波各向异性探测”卫星的观测数据时，在猎户星座西南方向的波江星座中发现这个“巨洞”的。

鲁德尼科说，这个“空洞”的所在区域与众不同，因为其宇宙微波和背景辐射温度比其他宇宙区域都略微低一些，研究人员将其称为“冷区”。这种温度上的差别可能只能以“那里存在一个巨大‘空洞’”来解释。宇宙微波背景辐射来到我们地球，其历程情况会影响波长，比如频率会出现红移或蓝移情况。电磁波经过的路线的物质密度偏低的话，会产生引力红移现象，这是宇宙微波背景辐射经过空洞区域后，温度变低的原因。这里的温度变低是电磁波频率变低的通俗说法。

“这次发现的空洞体积是我们先前推测的‘典型空洞’体积的1000倍。”空洞指的是宇宙物质丝状结构之间的空间。也就是其尺度是典型空洞的10倍，由于这个巨型空洞的直径是10亿光年，因此，典型空洞的直径大致是1亿光年。

如果宇宙物质集聚程度按照典型空洞1亿光年的尺度计算，半径就是0.5亿光年。宇宙局部物质自宇宙大爆炸后到现在，在引力作用下，已经平均移动0.5亿光年的距离。也就是公式S=0.5αtt的S取值0.5亿光年。宇宙已经诞生138亿年，局部物质每年需要移动，0.5亿除以138亿约等于0.003623倍光速，约等于1087千米每秒。这是平均空洞情况下的平均速度，再大一些的空洞，需要的平均速度就大了。比如，上面介绍的尺度大10倍的空洞，平均速度也需要大10倍，这就达到上万千米每秒了。要么需要更多的宇宙物质，要么宇宙形成理论需要改变。实际情况究竟如何，有待继续观测。

我们知道，宇宙局部物质是慢慢加速的过程，并且加速度也是逐渐增大的，这意味着宇宙局部物质并不是匀加速过程，而是加速度递增的过程。这个结论可以让局部物质集聚的平均速度小于现在速度的一半。如果是匀加速过程，平均速度等于现在速度的一半。这意味着现在宇宙局部地区的物质汇集速度大于2倍的平均速度，即大于2174千米每秒的速度。当然，实际上情况比较复杂，因为，科学家说，几十亿年前，宇宙开始逐渐空间膨胀了。在计算时，需要扣除这个因素的影响。不过，我们的思路是正确的，大致思路就是如此。这就是宇宙大尺度结构对暗物质（暗天体）的需求情况。

 

5.6了解一下宇宙空洞区域

 

奥斯提里卡的研究小组通过计算机模拟了宇宙的结构，结果显示在宇宙中物质总密度非常低的地方光会突然寂灭。研究人员计算后认为，一个地方的物质密度若低于某个水平，在那里就很难形成恒星，因而也就不会发光。

 

图77  图中白色纤维包围的空隙部分就是宇宙空洞，原图NASA发图。

奥斯提里卡的研究人员认为，这些空荡的地方也许是“低密度宇宙”所在，它们占据了宇宙空间的85%，其中的物质成分仅是宇宙物质总量的20%，这就是空洞。这些数据显示空洞区域的物质密度只是宇宙平均物质密度的23.5%。空洞的形成是由于引力作用带来的物质汇集，导致被汇集物质区域的物质大幅度减少。可以想象或断定的是，空洞区域的物质不可能流失干净，还会保存一小部分物质。按照科学家的数据，大致保留了之前物质的23.5%，大部分物质流失了。

宇宙局部的物质汇集速度与密度成正比，局部物质的汇集速度就是宇宙的演化速度，因此，宇宙的演化速度与宇宙密度成正比。局部宇宙的演化速度自然也符合同样的道理，与局部物质密度成正比。宇宙空洞区域由于大部分物质流失，所剩物质占比不大，意味着局部地区的演化较为缓慢。比如，空洞区域的物质密度不足宇宙平均密度的四分之一，其演化速度自然不到宇宙演化速度的四分之一。也就是说物质空洞区域保持着宇宙前期的宇宙面貌，这里的物质结构或物质分布状况是宇宙前期的活化石。

宇宙空洞区域的演化状态相当于宇宙110亿年前的演化状态，那时的星系还在逐渐形成中，物质汇集程度比现在要弱得多。那时的宇宙空洞尺度要比现在小得多，就是按照匀加速水平计算，由公式S=0.5αtt可以大致计算出110亿年前的宇宙空洞尺度。时间t大致等于四分之一到五分之一的宇宙时间，其平方后，大致为S等于现在S的二十分之一。也就是那时的宇宙空洞尺度大致是1亿光年的二十分之一，0.05亿光年。500万光年的平均直径尺度，相对现在宇宙空洞是很小的空间。可见，那时的宇宙空洞数量远比现在多，宇宙物质在不算太大的范围内，都较为均匀。那时应该没有星系团或超星系团，还没有形成现在的宇宙物质纤维结构。那时，空洞区域占次要空间。

我们假设是匀加速运动，实际上，宇宙物质汇集是加速度增大的运动，因此，110亿年前，物质空洞的平均直径要明显低于500万光年，也许只有200万光年。如果这样的话，那时的宇宙物质分布在小尺度内也是较为均匀的。在微小尺度内，物质分布才是集中的。那时很有可能还没有形成星系，物质是较为分散的，或相对均匀地分布。那时的宇宙光度是不大的，或很小的。由于那时的宇宙还比较小，虽然光度不大，但应该会是较为明亮的。

现在的宇宙空洞区域，其物质密度只是宇宙平均密度的23.5%，占据宇宙空间15%区域的宇宙物质稠密区域物质密度是宇宙平均密度的5.67倍。宇宙物质稠密区域的物质平均密度是宇宙空洞区域物质平均密度的24倍。这样的密度差异对应的演化速度差异就更大了，因此，在空洞区域，物质分布较为均匀，没有明显集中，更没有形成星系，局部质量汇集形成的天体质量平均较小，恒星质量占比很小，显得很暗淡。

空洞区域物质密度较低，这可是包括可见物质和所谓的暗物质的。也就是说，空洞区域不仅可见物质少，而且所谓的暗物质同样少。可见，可见物质与暗物质的分布趋势是多么的一致性。可见物质多的地方，所谓的暗物质也会多，反之亦然。

 

5.7宇宙微波背景辐射

 

宇宙大爆炸之后的前期，急速膨胀的宇宙的某个阶段，超高温物质辐射出频率极大的伽马射线，也就是光线中的最大频率了。伽马射线辐射是向四面八方的，没有方向倾向的。这个阶段的宇宙是伽马射线辐射期，估计其中的绝大部分伽马射线被吸收了，但还残存了一部分。

残存的伽马射线随着宇宙膨胀而频率降低，残存的伽马射线在频率变低的过程中，依然被损耗着。其数量随着时间而减少，不过，到现在，依然保留着很大数量。以至于到现在依然能观测到这些光线的存在，这就是宇宙微波背景辐射。可见，那时的宇宙，有多少伽马射线吧！数量巨大，单个伽马射线的质量也不小，其总质量尤为壮观。

宇宙的膨胀，导致物质密度随之下降，引力场强度跟着下降，这会让空间中的光线频率同步减小。这可以理解成引力红移。在我们现在的宇宙中，大质量天体表面出来的光线都会产生明显的引力红移。但是，引力红移程度有限，比如，频率下降一半都是很大的引力红移水平了，几乎没有频率下降到十分之一或百分之一的情况。

从黑洞的史瓦西半径处，按照广义相对论，光线是出不来的。但在史瓦西半径区域的外面，光线是可以出来的。这个区域的光线虽然可以出来，但是，会受到极大的引力作用，光线红移会很明显。按照普通的引力势能公式，到无限远的地方，光线几乎可以被红移到无限小。实际上，是不能按照普通的引力势能公式的，必须考虑光子本身能量的变化。需要用上微积开方程，此时，光子的频率变化幅度就会明显小一些了，但依然很可观。

从伽马射线红移到几K的温度对应的微波频率，红移幅度确实极大。这显示了宇宙物质密度减小幅度很大，只有这样，才能实现壮观的红移。实际上，宇宙物质密度确实减少极大，现在的宇宙物质密度已经很小了。

宇宙物质的相互远离与宇宙空间的膨胀，都会产生同样的光线红移。因此，光线的红移贡献中，也有宇宙空间膨胀的份额。宇宙空间膨胀，会拉开物质距离，降低物质密度，导致引力场强度下降，这样宇宙物质分离的效果是一样的或等效的。同样是拉开物质距离，降低物质密度，导致引力场强度下降。因此，二者对光线的引力红移影响是等价的或等效的。

根据现在的微波背景辐射频率，之前的伽马射线频率，通过光线的红移幅度，来估测那时宇宙的物质密度或总质量。结果发现，宇宙现在的可见物质总量是不足以实现这么大的红移幅度的。想实现这么大的红移幅度，需要多几倍的物质总量。这就为暗物质的出现提供了便利。实际上，有了暗天体等概念，完全可以不需要暗物质概念了，暗天体可以实现同样的效果。

既然谈到引力红移或微波背景辐射，我们完全可以畅想一下。远离我们的星系发出的光线的多普勒效应，很有可能不是真正的多普勒效应，其依然属于引力红移。比如，距离我们越远的星系，发出的光线时间越早，这些光线同样会随着宇宙物质相互远离而产生引力红移效应。距离我们越远的星系，这样的引力红移效应就越明显。我们把这些引力红移效应当作多普勒效应，根据多普勒效应，我们感觉这些星系在远离我们，并且距离我们越远，远离我们的速度就越大。进而我们得出空间膨胀的结论设想。这大概率是我们的一种误解。如果情况如此，这确实是一个大问题，也许我们不经意间解决了暗能量问题。没有空间膨胀，就不需要暗能量了。这确实太令人吃惊了，难道真的是踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫。

    如果远离我们的星系的光线红移属于引力红移，其红移幅度并不大。可见，宇宙微波背景辐射的红移量主要发生在宇宙大爆炸后的前期，此时是宇宙物质很稠密的时候，引力场强度很大的时候。这个时间段虽然时间不长，但是红移量极大。后来随着宇宙物质分布稀疏以后，光线红移就小多了，长期的红移累积效果也不大。

 

5.8其他倾向于暗物质的说法并不必然需要暗物质

图78 欧洲南方天文台（ESO）以地球角度拍摄的可见光波段的银河系侧面景观，似乎有云层阻挡银河系光线，其实这是银河系边缘区域的暗天体阻挡或吸收光线所致。这些暗天体占了银河系质量的大部分。

图79  2MASS巡天项目发布的红外波段的银河系侧视图，看起来云层少多了，红外线的穿透能力毕竟要强于可见光。虽然如此，这依然显示银河系边缘区域的暗天体的存在。

英国卡地夫大学罗勃特·闵琴领导的国际天文研究小组，在研究位于室女座星系群中，超级星系M99（NGC 4254）时意外发现VIRGOHI21星系，它所包含的氢气是太阳所拥有氢元素的上亿倍。在M99星系周围观测到典型的气体发光现象，后来的重力测量结果显示，M99星系旁边肯定存在着一个巨大的重力源，但是却观测不到任何可见的星系。据此判断这是一个暗星系。

美国康奈尔大学的科学家领导的国际天文学研究小组通过设在荷兰的“威斯特博尔克综合射电天文望远镜”（Westerbork Synthesis Radio Telescope），精确测定了该星系的大小。通过哈勃太空望远镜地进一步观测，发现该星系中不存在一颗恒星，甚至连构成普通恒星和行星的物质也找不到。2007年6月18日宣布，最终证实该天体构造其实是一个暗星系，其尺寸与普通的星系差不多，但由暗物质组成。

英国诺丁汉大学的梅里菲尔德则认为，闵琴研究小组观测到的可能根本就不是暗星系。梅里菲尔德说：“他们的观测结果充满矛盾。我猜测，他们可能被两个飞过的氢云愚弄了。”梅里菲尔德说，一个天体从另一个天体身边经过会影响后者的旋转速度。

但闵琴仍认为：“据目前所知，室女座星系附近没有氢云，两个氢云在一起几乎是不可能的。”闵琴认为，他们很可能低估了暗星系中氢气的含量。

还有人认为这个区域并不是一个独立的星系，它只不过是附近星系“NGC 4254”的一个尾巴而已。

据研究资料显示，“VIRGOHI21”暗星系的质量大约为太阳的1000亿倍，距离地球5000多万光年。相当于银河系质量的三分之一。不过，值得欣慰的是，这个所谓的暗星系，并不完全由暗物质组成，毕竟里面包含了相当于太阳上亿倍的氢元素。考虑到低估的可能性，也许是10亿倍太阳质量的氢元素。这个星系的位置处于大星系的外围，物质构成比较原始，即由氢气为主。说明这里还没有形成过大型天体，没有发生过超新星事件。这里也许连太阳级别的恒星也很少，也许是以更小的天体为主。一个以中小型天体为主的星系，这种可能性极低，从概率上看，可能也会有这样的事情吧！

我以为科学家是通过引力透镜找到了几乎全部是暗物质组成的星系，看来不是这样的。不过，这依然是个大麻烦。这个不好解释，如果是科学家搞错了，还好说。如果科学家观测没有问题，问题就大了。该怎么解释这个现象呢？

绝大部分由暗物质组成的星系，实在不可思议，暗物质必然会吸引周围的可见物质，而可见物质必然会发生碰撞，趋向集中化，形成可见天体。从概率上看，几乎没有形成纯粹的暗物质星系的可能性，因为暗物质必然会拉拢可见物质，形成以暗物质为主的星系，这是几乎所有星系的普遍情况。当然，按照我们本书的逻辑或观点，暗物质是不存在的，只是一种误会而已。

 

小结

 

本章从多个方面阐述着笔者的一贯观点，暗物质只是暗天体，不是非常规物质。有瑕疵的地方是，暗物质星系的常规物质解释有些困难，这是本书关于暗物质来龙去脉内容的最大麻烦。