第二章 暗物质是什么

第二章   暗物质是什么

 

2.1根据赫罗图了解光度学质量

   

图21 我国科技工作者制作或翻译的赫罗图，埃纳·赫茨普龙和亨利·诺利斯·罗素在1910年代创建的。下面的横坐标是光谱型，上面的横坐标是恒星的表面温度，比如我们太阳的表面温度五千到六千开尔文之间。左边的纵坐标是可见光度，也就是恒星单位时间发出的总能量。右边的纵坐标是绝对星等，也就是把恒星放在同样距离的亮度。

我们的太阳处于中间区域，这是很美妙的状况，客观上也基本如此，也有我们有意而为之的成分，比如，可见光度是以太阳为中心参考的。主序列恒星几乎分布在同一条线上，表面温度存在巨大差异。总体趋势就是光度越大，质量越大。因为质量决定温度，而温度决定光度。恒星的光度与恒星的表面积成正比，与恒星的表面温度的四次方成正比，这体现了恒星的光度与表面温度呈现着极强的正向关系。

根据图表中各个恒星所处的位置，可以计算恒星的体积，还可以大致推测恒星的质量。比如，左上角的恒星都是大质量恒星，右下角的恒星都是小质量恒星。当然，恒星之间的质量差异远没有光度的差异大。恒星质量越大，温度就越高。

恒星光度与表面温度的四次方成正比，主序列恒星的光度与质量的三点五次方成正比，这显示恒星质量与温度存在正向关系。大致是恒星质量每增加1倍，其表面温度提高0.6倍，也就是质量增加的幅度比温度增加的幅度大。在银河系或其他星系中，主序列恒星数量大致占据90%。

在赫罗图中，对于主序列恒星来说，横坐标还可以代表质量，越靠左，质量越大。同样的道理，对于主序列恒星来说，纵坐标还可以代表体积，越向上，恒星体积越大。

光度就是恒星单位时间内辐射的能量，主序列恒星的光度与质量的三点五次方成正比。恒星质量翻番，其发光能力，即辐射能量的能力提高11倍多。能量即物质，这意味着单位质量的物质损耗速度是之前的5倍多，也就是核聚变耗费的氢元素速度比质量小一半的恒星大5倍多。这意味着其核聚变寿命会比质量小一半的天体少得多，只是其五分之一。恒星质量翻番，核聚变寿命递减到之前的五分之一。这意味着我们现在银河系中大质量恒星早已经衰老，依然能核聚变的大质量恒星极其罕见了。在银河系形成初期，或宇宙可以大规模形成恒星的初期，大质量恒星数量或比例应该相当可观，甚至宇宙恒星质量主要分布在大质量恒星群体中。现在这些曾经的大质量恒星，早已经变成黑洞了，成为恒星团的核心天体了。

总之，科学家们可以根据恒星的发光情况，推测恒星的质量，这就是我们前面多次提到的光度学质量。主序列恒星可以轻松算出相应质量，赫罗图左下角的矮星或右上角的巨星也可以根据经验估算出质量。总之，只要看得见的天体，都可以估算出质量，天体系统所有看得见的天体估算的质量加到一起，就是这个天体系统的光度学质量。

光度学质量毫无疑问是存在缺陷的，一定会遗漏一些天体及其质量。究竟能遗漏多少呢？百年前，科学家认为会遗漏较少的，不会太多。后来，根据引力质量，科学家才认识到光度学质量遗漏的太多，太不靠谱，从而促使暗物质概念产生。

我们通过赫罗图可以感觉到，光度学质量只能计算可以看得到的天体的质量。中子星、黑洞这些发光少或不发光的大质量天体，不能被统计在光度学质量内。中子星、黑洞的数量有多少，暂时不好说！这自然会成为光度学质量遗漏的重要部分。实际上也会遗漏一部分发光不强的红矮星，而红矮星占据银河系恒星数量的70%，距离太阳系最近的比邻星是红矮星。也就是说，从赫罗图上看，光度学质量会遗漏主序列恒星两端或之外的天体，这也许是宇宙中物质的主体部分。

在赫罗图中，我们不要以为太阳位于中部，而认为太阳这样的天体是宇宙中天体的主体。其实，比太阳质量小的恒星，才是恒星的主体部分。而太阳这样的恒星，质量略偏大一些。那些在赫罗图中左上角的恒星数量就更少了，而右下角比太阳质量小的恒星才是恒星的主体。也就是说，赫罗图中的主序列，从左向右，恒星数量逐渐增加，越往左下角，恒星数量越多，恒星数量占比越高。

 

2.2天体数量或质量的分布状况

 

我们的太阳是一颗明亮的恒星，其在恒星群体中，质量属于中等偏上。比太阳质量大的恒星数量很多，但比例不大。比太阳质量小的恒星数量很大，比例占多数。比如，红矮星数量占据银河系恒星的70%，但由于单个质量小，总质量占比可能就不占优势了，但也不算太少。

根据我们的直觉或感觉，天体数量的分布规律是：单个天体质量越大，这种类型的天体数量就越少，单个天体的质量越小，其数量就越大。这也好理解，如果质量大的天体数量与质量小的天体数量一样多，质量分布就不均衡了，质量大的天体的总质量就太多了，这样不符合我们的感觉了。

我们感觉，天体质量越大，形成这种天体的难度就越大，形成这种天体的机会就越小，自然是这种大质量天体的数量就越少。因为，天体都是从最微小的部分汇集起来的，大质量的天体从概率上看，自然是经过了更多更复杂的形成历程。

天体质量越大，数量越少，这样的结论我们似乎应该没有争议。现在的问题是，天体质量越大，其质量占比如何？是比例越小，还是同比例，还是比例越大或略大。亲爱的读者，你感觉如何呢？

我们以太阳质量为参考，我们以一个数量级为区间，感受一下各个区间的天体质量比例。比如，以1倍太阳质量到10倍太阳质量为一个区间，0.1倍太阳质量到1倍太阳质量为另一个区间，如此类推，宇宙天体可以分成无数个质量区间。

 

图22 科学艺术家绘画的中子星艺术设想图，脉冲星就属于中子星。由于中子星个体很小，继承的角动量让其自我旋转速度极快，进而形成了强大的磁场，产生很强的电磁辐射。其强大的自身引力避免了自己旋转极快而解体的可能性。

比太阳质量大几倍的恒星，超新星爆发以后，留下的残骸质量如果大于1.44倍太阳质量，小于3.2倍太阳质量，就可以形成中子星。甚至其中的一部分中子星，很有可能是夸克星。中子星密度极大，体积不大，自转速度极大，因此，往往可以形成强大的磁场，表现为脉冲星。中子星属于老年恒星，并且其质量范围较窄，质量的跨度不大，因此，中子星占据天体的比例是较小的，虽然数量也是很可观的。而超新星爆发后，大于3.2倍的太阳质量的残骸，会形成黑洞，32倍太阳质量还是黑洞。这意味着黑洞的质量区间分布或质量跨度很大，其数量会明显比中子星多，其质量就更多了。

从0.1倍太阳质量到10倍太阳质量，这两个质量区间，已经基本囊括了可见的恒星。比如，质量最小的恒星，红矮星的质量下限是8%的太阳质量。超过太阳质量10倍的可见恒星也是少之又少。可见这两个区间之外的可见恒星比例已经极低了，数量不大。

10倍太阳质量到100倍太阳质量这个区间，有多少天体呢？至少可见天体不多了，几乎都是黑洞这样的不可见天体。其数量自然是明显不如，1倍到10倍太阳质量这个区间的天体数量。其质量会如何呢？假设其数量只是1倍到10倍太阳质量天体数量的十分之一，这个区间的质量也是不亚于1到10倍太阳质量这个区间的。估计，这个区间的天体数量不应该会有这么多。问题是，凭什么这个区间的天体数量应该更少呢？有什么道理吗？有什么明显逻辑吗？还是我们感觉应该如此！

那么，100倍太阳质量到1000倍太阳质量的天体数量又如何呢？这些隐藏的黑洞数量定然会不到10倍至100倍的黑洞数量的十分之一，百分之一有吗？也许真的会有百分之一吧！如果真的有这么多，其总质量就相当于10倍至100倍太阳质量区间的天体总质量的十分之一了。这已经是相当可观的比例了。

一千倍到一万倍太阳质量的天体，这样的黑洞有多少呢？能有上一个区间数量的百分之一吗？还是千分之一？一万倍到十万倍太阳质量的黑洞数量又如何？是上一个区间的千分之一还是万分之一。以此类推，我们感觉如何？

十万倍到百万倍的太阳质量，百万倍到千万倍的太阳质量，又是两个区间。我们知道，我们银河系中心的黑洞质量是太阳质量的400万倍，在百万倍到千万倍的太阳质量范围内。其他星系的中心黑洞有几亿倍或几十亿倍太阳质量。不知道还有更大质量的天体了吗？

按照一个数量级为一个质量区间，数学理论上，可以划分为无数个区间。实际上，应该不会这么多的，应该是有限的。比较粗糙的估计，1倍太阳质量到10倍太阳质量这个质量区间的天体总质量大致会与0.1倍太阳质量到1倍太阳质量这个质量区间的天体总质量相仿。而10倍太阳质量至100倍太阳质量这个区间天体的总质量也是很可观的，也许会相当于1倍太阳质量到10倍太阳质量这个区间天体总质量的一半。百倍太阳质量到千倍太阳质量这个区间天体的总质量相当于上一个区间的二分之一。千倍到万倍太阳质量也许是上一个区间的二分之一，以此类推，估计，10倍太阳质量以上的所有天体的总质量会相当于1倍到10倍太阳质量天体的总质量，也就是基本相当于可见天体质量的一半。这是暗物质的重要构成部分，大致占据暗物质的十分之一。

 

2.3中小天体应该是暗物质的主体部分

 

1995年美国科学家发现了褐矮星，这是质量介于最小恒星与最大行星之间的天体，质量没达到0.08倍太阳质量，不足以在核心点燃核聚变反应的气态天体。表面温度不超过3000K，质量最小的T型褐矮星（温度为800-1200K）的辐射则主要集中在近红外波段（1-2μm），因此，褐矮星本身辐射很弱。褐矮星外层大气中的分子，例如水、一氧化碳、甲烷和氨，会吸收向外的辐射，使得褐矮星进一步变暗。这些因素使得寻找褐矮星成为了天文观测的一大挑战。

2013年3月份，鲁曼对WISE望远镜数据的分析还发现了另外两颗温度高得多的褐矮星，距离地球约6.5光年，从而使它们成为距离太阳第三近的天体系统。这些数据显示，褐矮星的发现是如此困难，我们暂时只能发现距离我们较近的褐矮星。并且，在距离我们较近的区域，我们并没有把褐矮星全部发现。

 

图23  2006年NASA制作的SIMP0136的艺术概念图，蒙特利尔大学的天文学家Étienne Artigau博士等人发现了它。SIMP0136质量大约是13倍的木星质量，这个质量刚好是国际天文联合会所决定的褐矮星的最低质量。它是一个年纪约为2亿年的恒星群（group of stars）的行星成员，这个恒星群被称为近船底座（Carina-Near）。

褐矮星质量基本处于0.01到0.1倍太阳质量的区间内，这个数量级区间，天体数目应该是巨大的。其天体数量远多于0.1到1倍太阳质量区间的天体数量，总质量估计不亚于0.1到1倍太阳质量区间的天体总质量。因此，随着韦伯空间望远镜的运行，估计会极大地发掘褐矮星数量。所以，红外线望远镜大有可为，这是一片广阔的天地，我国也应该行动了。

 

图24 为方便视觉对比，科技工作者把三种天体图像汇集到同一幅图中。隶属红矮星范畴的小型恒星（左）、褐矮星（中）、类似木星这样的气体巨星（右）对比图。宇宙中的天体质量分布是相当连续的，每个质量区间都有大量天体分布。

0.01到0.001倍太阳质量区间的超巨行星天体数量也会尤为壮观，由于这些天体的表面温度太低，几乎没有什么辐射，韦伯望远镜运行后，估计会发现大量的隶属于恒星系统的超巨行星。那些流浪的超巨行星估计很难被发现，有待新的技术前进。而这个质量区间的天体，应该是以流浪的超巨行星为主。其数量会比褐矮星多，物质总量可能会接近褐矮星。木星属于这类行星的最低层次了。

0.001到0.0001倍太阳质量的天体基本属于巨行星，相当一部分属于恒星系的一部分。但更多的巨行星是流浪的，不属于任何恒星系统，像恒星那样与周围天体构成星团，共同环绕星系中心。甚至相当一部分巨行星在星系之间流浪，成为星系外围天体的一部分或独立于星系。其数量更为巨大，质量应该也不会太少。

万分之一到十万分之一太阳质量的行星，数量远远多于可见恒星数量。除一部分隶属于恒星系之外，更多地属于流浪行星。除了我们感觉或推测有这么多流浪行星外，估计，我们永远也发现不了。因为这些流浪行星体积相对太小，自身光线太暗。估计，在我们太阳系的奥尔特云区域，会有这样个头的行星。这么近的行星，我们也许会发现的了。

再小一个数量级，就包括我们地球级别的行星了。除了大量分布在恒星系内，更多的是流浪行星。我相信，在奥尔特云区域，类地球行星还是有的。

下一个数量级，就包括月球这样的卫星了。在奥尔特云区域或柯伊伯带，这样的天体数量很多。流浪的这样的天体应该也是比比皆是。

不再一一细说了，也就是低于太阳质量的数量级区间内的天体数量是逐渐增多的。总质量是不是会增多，这个可能性不大，但是，不会减少太多。估计这个区域的区间的天体总质量，向下一个数量级区间具有递减趋势，但不会太明显。但如果递减不太明显的话，也是一个问题。这会导致这个区域分布的质量太多，超过暗物质的总量了，这就不好了。这个区域是暗物质的主体部分，估计占了暗物质的90%。因此，这个区域的天体质量应该是递减的，按照某个合理的水平递减。也就是说，0.1倍到10倍太阳质量这两个区间所拥有的天体质量是我们假设最多的，然后向两边的质量区间递减。质量大的区间的天体质量递减速度大，质量小的区间的天体质量递减速度慢。

不过，0.1倍到10倍太阳质量这两个区间所拥有的天体质量最多的想法，仅仅是一种假设，似乎没有什么逻辑或道理显示应该是如此的。按照对暗物质的填充设想，0.1倍太阳质量以下的众多质量区间的天体质量总量会是很大的，可以有效填补暗物质的空缺。这是本篇文章的逻辑思路。

 

2.4引力波现象与所代表的质量或能量

 

图25  LIGO发布的汉福德站（Hanford）引力波探测器全景图

这个引力波探测器LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) 是臂长为4千米的超级迈克尔逊干涉仪，较长的臂长是为了充分放大引力波效应。在引力波的强度一定时，引力波的影响效果与臂长成正比。因此，如果技术上可行，可以建设更长臂长的地面探测器。我国可以如法炮制，建设臂更长的引力波探测器。

万有引力与引力波的效果是一样的，都会影响时空，比如，可以让空间收缩或膨胀。影响时空的程度自然与引力或引力波强度成正比。引力波经过激光干涉仪的臂时，臂的时空长度发生改变，引起里面的两束激光产生干涉现象，进而通过干涉条纹感受引力波的存在。

实际上，来到地球的引力波已经很弱了，所激起的时空改变幅度也很弱，其带来的臂长改变幅度极小。这导致我们地球的其他现象，比如地震波动现象，对臂长的影响甚至会更明显一些。也就是有诸多因素对臂长的影响都会比引力波的影响大。可见，单独一个这样的探测器根本分辨不出哪个影响是引力波的影响！怎么办，那就用相同的两个探测器，并且安置在相距遥远的两个地方。然后从大量的激光干涉条纹中，找出时间上相同，条纹波动相同的干涉事件。这个过程是麻烦而细致的，这深刻体现了人类的执着与细心。

如果是三个相距遥远的探测器效果会更好，更准确，比如，可以更准确地知道引力波的来源方向。四个相距遥远，位置合理的探测器就可以构成一个立体结构了，探测器可以分布在四个三角形平面中，这样可以无死角地探测所有引力波，可以知道所有探测到的引力波的来向。比如，中国放一个，美国放一个，欧洲放一个，澳大利亚放一个，让探测器构成一个四面体的角。

2016年6月16日，LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布：2015年12月26日，位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号；这是继 LIGO 2015年9月14日（2016年2月11日发布）探测到首个引力波信号（双黑洞合并的引力波信号）之后，人类探测到的第二个引力波信号。这两次观测到引力波事件与发布时间都相差近六个月时间，可见，引力波探测工作的繁琐与细致。

2017年10月16日，多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。

引力波探测器已经成为天文观测的新工具，天文望远镜看到的，引力波探测器可以看到，天文望远镜看不到的，引力波探测器还可以看到。可见，引力波探测器发展前景尤为广阔，是人类认识宇宙的新手段。

图26  LIGO/MIT/Caltech发布的两个正在合并的黑洞产生的引力波艺术想象图

距离我们太阳系13亿光年，36倍太阳质量的黑洞与29倍太阳质量的黑洞合并，形成了一个62倍太阳质量的黑洞。相当于三倍太阳质量的物质或能量以引力波的形式流失宇宙空间。

可以观测到0.4秒的黑洞合并时间，这是两个黑洞合并前，引力波最强的阶段，也是频率最高的阶段。在0.4秒之前，两个黑洞相互环绕，依然会发出强大的引力波，只是距离我们地球遥远，到我们地球的时候，就很微弱了。因此，引力波的强度与距离有关，与距离的平方成反比。如果我们太阳系距离这个黑洞不是13亿光年，而是1.3亿光年，其发出的引力波来到地球的强度就会提高100倍，0.4秒之前的引力波，就可以观测到了，观测到的引力波时间会较长。也就是说，引力波辐射是很常见的现象，只是不容易被观测到而已。

黑洞与黑洞相互环绕会产生引力波，中子星相互环绕也会产生引力波，实际上任意天体相互环绕都会产生引力波。只是相互环绕的天体质量不太大或天体之间环绕速度较慢而产生的引力波较弱而已。

除了相互环绕的天体可以产生引力波之外，超新星的大爆发，这种大质量物质体系的高速运动现象也会产生明显的引力波。也就是说，物质加速或减速度运动都会向周围空间辐射引力波。比如我们开车或步行，也会向周围空间发射引力波，只是引力波太微弱，就是距离如此近，也测量不出来，不过，从理论上是可以得出这样的结论的。也就是说，引力波无处不在，以光速辐射的引力波自然会是交错弥漫于整个宇宙中，其物质或能量总量也会相当可观，这理所应当的会成为暗物质的一部分，也许会是一小部分。

 

2.5光辐射或中微子总量也是很大的

 

我们在学习高中地理时，对太阳的描述内容，有一句是太阳每秒钟向外辐射相当于400万吨的质量的对应的能量，我们地球可以得到20亿分之一的阳光，这就足够我们享受温暖而明亮的生活了。

阳光不仅带来光明，还是能量的载体，能量对应着质量，爱因斯坦的质能方程E=mcc显示着二者的换算关系。恒星内部在高温高压的条件下，可以发生核聚变反应，氢弹的爆炸原理来源于此。太阳这样的恒星一生的发光历程中，超过千分之一的物质转变成了电磁波。质量更大的恒星转变成电磁波的比例再高一些，质量偏小的恒星转变成电磁波的比例会偏低些。总体上看，可见物质的千分之一转变成电磁波是可能的。

 

图27  NASA太阳动力天文台探测器拍摄的太阳，明亮区域属于耀斑，光线暗淡部分属于黑子。

绝大部分的电磁波会以光速流浪于广袤的宇宙中，只有一小部分电磁波会被路途上的物质吸收。这些流浪的电磁波虽然以能量模式存在于宇宙中，但其依然会产生引力效应。也就是说，能量也可以体现出引力物质效应。能量与物质都会存在引力效应，都共同对应着引力物质质量。

在银河系内，恒星际弥漫的电磁波会产生相应的引力效应，这自然会加大天体的环绕速度。同理，在星系团内部，星系之间弥漫的电磁波也会产生引力效应。这些电磁波自然构成了暗物质的一部分。

核聚变过程中，除了产生电磁波之外，有时还会产生一种比较中性的微粒，这种粒子的反物质是其自身，这就比较特殊了。这种粒子不容易与其他物质发生关系，比如不容易碰撞或吸收，像光子就容易碰撞或吸收了，这就是中微子。

中微子数量极为可观，以接近光速运动，可以穿越地球而不被吸收，光子（电磁波）可没有这个能力的。可见，中微子产生后，相对电磁波会以更大概率的流浪于宇宙中。不好估测其总量，部分科学家认为其弥漫于宇宙中的总质量可能会比电磁波还要多。

中微子形态上应该属于物质形态，不属于能量形态。不管属于哪种形态，都有引力质量效应，都参与引力作用。弥漫于恒星际的中微子自然是加大星系内部天体环绕速度的原因之一。弥漫于星系之间的中微子是加大星系之间运动速度的原因之一。

 

2.6通过恒星生命历程来感受不可见物质的总量

 

初始宇宙物质均匀扩散，质量密度的概率涨落现象，产生物质在万有引力作用下的集中现象。引力作用带来的物质汇集是漫长的过程，其中的一部分物质汇集到一起，形成大大小小的天体。也就是说，相当一部分物质没有汇集到一起，或依然处于分散状态。这部分物质究竟占多大比例，不好说。

汇集一起而形成的天体，大大小小，天体质量达到一定门槛以后，才能发光发热，算是恒星。而相当一部分天体的质量是达不到发光发热级别的，这一部分不发光的天体的总质量究竟有多大，也不好说。

可以发光的天体，其光度随着质量增大而迅猛增大。从发光门槛质量增大两个数量级后，大约10倍于太阳质量的恒星，光度就很强了，发光的寿命急剧缩短。发光寿命下降到几百万年或几千万年，这对于已经存在138亿年的宇宙来说，确实太短暂了，这意味着这种大质量恒星绝大部分早就过了发光期了，成为暗淡的天体。

大质量恒星发光历程短暂，发光寿命终结以后，恒星通过爆炸可以将其大部分甚至几乎所有物质以高至十分之一光速的速度向外扩散，最终形成星云。一个大型天体，变成了无数的微小天体，并暗淡下来。其留下的残骸（白矮星、中子星或黑洞）也是暗淡的。也就是说，大质量天体发光历程短暂，绝大部分时间以黑暗状态或暗淡状态存在于宇宙中。曾经的大质量天体，只有极少一部分还处于发光状态，绝大部分大质量天体已经走过发光历程，处于解体后（超新星爆发）的黯淡状态。这些大质量天体的残骸及其解体后形成的星云，自然是不可见物质的重要组成部分。

 

图28 哈勃望远镜发布的类日恒星产生的行星状星云，即星云像行星那样环绕中心恒星内核。这是由于类日恒星晚期的膨胀速度并没有那么夸张，并且主要物质内核留了下来，有足够的引力束缚这些膨胀的物质。星云中央是裸露的恒星内核，正在变成白矮星。

类似太阳的恒星，虽然拥有漫长的发光历程，但是也会有膨胀而逐渐衰竭的那一天。最终也是留下一个逐渐暗淡的中心残骸，以及形成体积较小的暗淡的星云。其生命历程也是归于暗淡。可见，已经成为暗淡天体的恒星残骸，自然也是不可见物质的组成部分。

不可见物质的最大组成部分应该是比太阳质量小得多的天体，这些天体数量巨大，由于天体的发光质量门槛因素，从没有发光发热或较少发光发热。

我们从以上的叙述中可以感觉到，宇宙物质构成中，确实应该是以不可见物质为主，可见物质占比确实应该不大。因为可见物质的分布区间太窄了，如此窄的分布区间，不可能占据物质主流。没有理由认为，宇宙物质应该大部分形成太阳这类恒星，虽然这类恒星是发光的主体。如果以前有这样的认识，那么这是想当然的，没有根据。

 

小结：宇宙中的天体质量跨度是巨大的，但是质量分布是相当连续的。从微小颗粒到质量为太阳几十亿倍的黑洞，大小天体的过渡是一个连续体系。天体数量与天体的个体质量成明显的反向关系，单个天体质量越小，其类似天体的数量就越大。