操控宇宙的幕後黑手<o:p>
【撰文/康塞利斯(Christopher J. Conselice);翻�g/李沃��】<o:p>
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暗能量不�H���s著宇宙膨��,星系形�钆c星系�g的距�x也控制在它的手�e。<o:p>
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直到1998年,天文�W家才�l�F,原�砦���一直忽略了�渍���宇宙�⒔�3/4的成份,也就是暗能量。�楹位�了�@�N久的�r�g呢?�@是一�N未知的能量型�B,�h<o:p>
�@在周遭�h境�e,一直�p�p地拉扯著我��,�K且掌握了宇宙的命�\,但我���s��然不�X它的存在。�m然,有些研究者早就�A期到�@�N能量的存在了,但就算是他��也��告�V你,���y到暗能量可以算是20世�o宇宙�W最具革命性的�l�F之一。如果暗能量不�H是宇宙的主要成份,在�r�g的淬��下��能�v久不衰,那�N我��恐怕必���l展出新的物理理��,才能�蚪忉�它的存在。<o:p>
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要了解暗能量的本�|�c其意涵,��有很�L的路要走,而科�W家才���⒊蹋徊贿^有件事我��已��知道了:�m�f暗能量的�l�F,是因�槠��τ钪嬲��w所造成的效��,但它很可能也形塑了�a星、星系�c星系�F等宇宙居民的演化�用玻�也就是�f,天文�W家�凳�年�砜赡芤恢弊⒁�著它的�茏鳎��s�z毫未曾察�X到它。�S刺的是,暗能量如此�y以�l�F的原因,正是它�o所不在。暗能量�c物�|不同,它不��在空�g中某��群聚成�F,而是依��其特有的性�|,均�虻乃奶�散�选T谌魏蔚胤剑�不��是你家的�N房�e,或者星系�H空�g,它都具有相同的密度,�s每立方公尺10-26公斤,相��於一把�湓�子的�|量。太��系�人�有的暗能量加��起�恚��|量�s等於一�w小型的小行星,所以在行星的�\行中,它根本是��微不足道的角色。只有��我��把眼光放�h到�V��的�r空尺度上,暗能量的效��才��凸�@出�怼�<o:p>
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�拿���天文�W家哈伯(Edwin Hubble)那���r代�_始,�^�y者就已知道,除了少�底羁拷�我��的星系外,大多�敌窍刀家院芨叩乃俾试谶h�x我��,�@��速率�c距�x成正比:�x我��越�h的星系,就後退得越快速。�@�拥哪J奖硎荆�星系的移���K非如我��平日在空�g中移�游矬w那�又庇^,��要考�]空�g本身�Y��正在�U展而�a生的影��(�⒁�2005年4 月��〈你也�`��了大霹�Z?〉)。�凳�年�恚�天文�W家��精竭�]地想解答下一���S之而�淼����}:�@膨��速率���S著�r�g如何改��呢?他���J�樾窍甸g彼此向�壤�的�f有引力可以克服向外膨��的效��,宇宙的膨��速率������逐�u慢下�怼jP於膨��速率的��化,第一��明�_的�^�y�C���碜赃b�h的超新星,就像盯著浮木可��我���y量河水的流速一�樱��@�N大型�a星的�×冶��l,可以用�碜��橛^察宇宙膨��的�耸尽S^�y�Y果清楚�@示,�F在的膨��速率比以前快,所以宇宙正在加速膨��;更�_切的�f,宇宙的膨���_��曾��一度��慢,但在某���r刻���v一段�^渡期後,便�_始加速了(�⒁�延伸���x1�c2004年3月��〈���p速到加速〉)。�@��引人注目的�Y果,也已���c其他�P於宇宙微波背景��射的���e研究交叉�z���^了,其中有些研究�Y料�碜酝�金森微波��向性探�y器(WMAP)。<o:p>
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有��可能的推��是,在星系以上的大小尺度�c�^小的尺度上,重力定律�K不相同,所以���H上星系的重力�K�o法抵抗膨��。但更�V���W者接受的�f法是,重力定律仍普遍�m用,不�^有某�N科�W界前所未知的能量型�B,足以反抗�K�褐菩窍甸g的相互吸引力,促使它��更快速地分�x,�m�f在我��星系�e的暗能量�o足�p重(更�e提在你家�N房�e的了),但在宇宙中加��起�恚��s是最��大的力量。<o:p>
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宇宙的雕塑家<o:p>
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��天文�W家探索�@��新�F象�r,他���l�F暗能量除了�Q定宇宙整�w的膨��速率之外,在�^小的尺度上也具有�L期的效��。��你把�τ钪娴挠^�y�����s小�r,第一����注意到的�F象是,在宇宙尺度下,物�|的分�丫拖���蜘蛛�W一��--由�登��f光年�L的���z����而成的�W�罱Y��,中�g穿插著一些大小相仿的�W洞。���X�抵的��M�@示,要能解���@�拥��D形,必��同�r具�湮镔|�c暗能量。�@可不是什�N大不了的�l�F。�@些���z�c�W洞�K不是行星那�N有著�o密�Y��的物�w,它��尚未�挠钪嬲��w的膨��中分�x出�恚�其�炔恳策��]�_到力的平衡,因此,它��的�用踩��Q於宇宙膨��(以及一切��影��膨��的�F象)和其本身重力的����。在宇宙中�]有任何一方能�蛲耆�主宰�@�霭魏颖荣�:如果暗能量稍��一些,膨�������@得�倮�,使得物�|�U��而�o法凝聚成���z�罱Y��;假如暗能量稍弱一�c,物�|����比�F在更加凝聚在一起。<o:p>
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��你�^�m把�����s小到星系�F�c星系的尺度�r,情�r����得更�}�s。包括我���y河系在�鹊乃�有星系,�K不���S著�r�g而膨��,它��的大小取�Q於�a星、�怏w和其他�M成物�|的角�恿颗c重力�g的平衡;只有�男窍惦H空�g吸�e新物�|,或�c其他星系合���r才��成�L。宇宙膨����於星系成�L的影��微乎其微,因此,暗能量��於星系的形成,效���K不是那�N明�_。同�拥牡览硪策m用於星系�F,星系�F是�登���星系的集合,因重力而束�`在一起,藏身於��大的���怏w���龋�是宇宙�e最大的聚合�w。就在不久之前,�S多有�P星系�c星系�F形成的�^�c��看似和暗能量毫不相干;但�F在看�恚�暗能量可能是�B�Y�@些不同�^�c的�P�I。因�檫@些系�y的形成�c演化,有部份是源自星系�g的交互作用�c合�悖�而�@很可能正是由暗能量所主�А�<o:p>
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要了解暗能量如何影��星系的形成,得先知道天文�W家�J�樾窍凳侨绾涡纬傻摹D壳暗睦碚�所根��的�^念是物�|有�煞N基本型�B:第一�N是普通物�|,�@�N物�|的粒子可以�p易的互相作用,假如�щ�的��,�����c��磁��射作用,由於它��主要是由�|子�c中子�@�拥闹刈铀��M成,天文�W家便�Q它���椤钢刈游镔|」;第二�N是暗物�|(�c暗能量截然不同),�琢怂�有物�|��量的85%,特色是其�M成粒子不���c��射作用;但就重力的�^�c而言,暗物�|�c普通物�|的特性完全相同。依��理��模型,暗物�|在大霹�Z後就立即�_始聚集,形成天文�W家�Q�椤���」的球���F�K。相反地,重子�t因�榱W娱g以及��射的作用,起初�K不��聚集成�F,仍保持在高�岬��怏w���B,�S著宇宙膨��,�怏w�囟认陆担�才能�蚓奂�。第一代�a星�c星系就是在大霹�Z���|年後,由�@�拥睦��s�怏w聚集而形成,它��的形成位置�K不是�S意散�言诳臻g�e,而是集中在早已成形的暗物�|��的中心�^域。<o:p>
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自1980年代起,有些理���W家便以����的���X模�M�硖骄窟@���^程,包括德��甲�c的�R克士普朗克天文物理研究所�烟兀�Simon D. M.<o:p>
White)所�I�У难芯��F��,和英��德罕大�W法��克(Carlos S. Frenk)的�F��,他��的研究�Y果�@示,最初的�Y��大多�凳切┵|量�^低的<o:p>
小型暗物�|��。因�樵缙谟钪娴奈镔|密度�H高,�@些低�|量暗��(以及它��所包含的星系)��彼此合�愣�形成�|量�^大的��造,依照�@��方式,星系的建��可�f是一��由下而上的�^程,就像利用一堆�犯叻e木建造出一��玩具房屋般。(相反的方式�t是由上而下的程序,像是�⑼婢叻课萁o�羲椋�拆成一�K�K的�e木。)我和同事�t藉由�^察�b�h的星系以及它��如何在宇宙中合�悖����z���@些模型。�楹涡窍��u�u不再形成?<o:p>
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����的研究指出,星系在�c其他星系合���r���l生形�钆で�的�F象。我��所能看到最早的星系,大�s在宇宙年�g10�|�q�r就已存在,其中有�S多星系的�_正在合�悖坏�是,�S著�r�g的演�M,大型星系合�愕氖录�就不再盛行了。在大霹�Z後20~60�|年�g(也就是宇宙�v史的前半段),大型星系的合�懵��� 50%�E降<o:p>
到接近零,�哪��r起,星系外形的分�驯壤�就固定下�砹耍�可��星系的互撞�c合�阋呀�相��罕��。<o:p>
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事��上,今日宇宙中98%的大型星系,不是�E�A形就是螺旋形,它��的外形在�l生合�愕��r候��崩解��化。�@些星系很��定,大多由年老的�a星�M成,�@告�V我��,它��必定很早就已形成,而且保持���t的形�钜呀�有很�L一段�r�g了。有少�敌窍抵两袢栽诤��阒校�但通常是�|量�^小的星系。<o:p>
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宇宙在�F在年�g的一半�r便�_始�@露疲�B,合�悻F象的中���K不是唯一的�E象:�a星形成率也同�铀ネ肆讼��怼T�1990年代有�S多研究�F��率先�C��:今天仍<o:p>
存在的�a星,大多�Q生於宇宙�v史的前半段。�@些�F��的�I��人包括了���r加拿大多��多大�W的黎利(Simon J. Lilly)、美��航太��署太空望�h�R科�W研究所的�R道(Piero Madau)�c加州理工�W院的史泰德��(Charles C. Steidel)。最近,研究人�T已��明白�@�N���菔侨绾伟l生的。原�恚�大型星系�鹊��a星形成活�雍茉缇屯V沽耍���宇宙年�g是�F在的一半�r,只有�|量�^小的系�y仍以�@著的效率持�m生成�a星,�a星形成�^的此�N�w移�F象�Q�椤感窍敌⌒突�」(�⒁�2005年2月��〈宇宙的中年危�C〉)。�@似乎有�c矛盾:星系形成的理���A言小型星系��先成形,��它��相互合�阒�後,才��出�F大型星系;但是�a星形成的�v史看���s��序相反:�a星�Q生的主要地�c一�_始是大型星系,然後才��到小型星系。<o:p>
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另一件怪事是,常��於星系中央的超大�|量黑洞,其成�L似乎已大幅�p��。�@�拥暮诙词穷�星�w和活�S星系的能量�碓矗�在�F代宇宙�e的�盗糠浅I伲晃���星系和其他星系�e的黑洞�t是不活�S的。�@�N�N�P於星系的演化���菔欠裣嚓P?暗能量是否真是�@一切�F象的根源?<o:p>
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站上主宰的位子<o:p>
有些天文�W家�J�樾窍��炔康哪承┻^程,例如黑洞及超新星的��放能量,是星系�c�a星停止形成的原因,但�F在暗能量浮上了��面,它似乎是�B�Y�@所有事情的更基本原因,主要的�C��是��大部份星系�c星系�F停止形成的�r�g�c,�s略�c暗能量�_始主宰宇宙的�r期相符,�烧叨及l生在宇宙大概是�F在年�g的一半之�r。<o:p>
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概念是�@�拥模涸谟钪��v史上的那���r期,物�|的密度很高,因此星系�g的重力作用足以超越暗能量造成的效��;星系比肩接踵,相互作用而且��常合�恪.�星系�鹊��怏w��互相碰撞�r,新�a星便�Q生了;若�怏w被�匀脒@些系�y中央,黑洞就��成�L。�S著�r�g的演�M,空�g膨��,物�|逐�u稀薄,重力因而�p弱,但暗能量的��度�s�S持不��(或�缀醪蛔�),�烧唛g�y以�S持��定的平衡���B,最�K造成膨�����p速�D�榧铀伲�於是,星系所在的�Y��被扯�_,�е滦窍档暮��惚嚷手��u降低,星系�H�怏w也��得�^�y��入星系中。�适Я思Z食,黑洞��然��得平�o�S多。<o:p>
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�@一�B串的事件,或�S可用�斫忉�星系族群的瘦身�F象。�|量最大的暗物�|���c置身其中的星系,往往也是最能聚集成群的;它���c其他的大型暗��相距甚近,因此比�|量�^小的系�y更容易撞�M��居家�e,撞�M去的�r候,�a星形成率�_始暴增。新形成的�a星先是�l出光亮,然後爆炸��命,加�崞渲茉��怏w,使�怏w�o法收�s形成新�a星,�@�右��恚��a星的形成本身反而是扼���a星形成的�词郑��a星加�崃怂�����以生成的�怏w,�M而阻止其他新�a星的�Q生。�@��星系中心的黑洞,�t扮演了另一��抑制�a星形成的角色;星系合���r��把�怏w�j入黑洞,使黑洞�l射��流,加�嵯到y中的�怏w,阻�K其冷�s,也因此�o法生成新的�a星。<o:p>
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�@然地,大型星系�e的�a星形成活�右坏┩V梗�就�o法重新�_始,�@很可能是因�檫@些系�y中的�怏w已��消耗殆�M,或��得太�岫��o法快速冷�s下�怼_@些大型星系仍可�c其他星系合�悖�但由於缺乏低���怏w,以致於不易形成新�a星。�m然大型星系失去了活力,但�^小的星系�s持�m合�悖��K�u造新�a星,�Y果就像�^�y到的�F象一�樱�大星系比小星系早定型。暗能量或�S是��由衡量星系群聚的程度�c合�惚嚷剩��碚{控�@���^程。<o:p>
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暗能量也能解��星系�F的演化。在宇宙��只有不到�F有年�g一半以前,���r就已存在的古老星系�F,���|量�c今日的星系�F相��,也就是�f,在�^去的60~80�|年�g,星系�F的�|量���H上�K未增加,�@��停��的�F象暗示了宇宙在�F有年�g的一半�r,星系便不再凝聚成�F了,�@是暗能量在大尺度上影��星系交互作用的直接�C��。天文�W家早在1990年代中�~就已��知道,在�^去80�|年�e星系�F成�L不多,他���⑦@些�F象�w咎於宇宙的物�|密度比理��估��的低�S多,而暗能量解�Q了�^�y和理���g的矛盾。<o:p>
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有��例子可以�f明暗能量如何改��星系�F的�v史,那就是位在我��附近被�Q做本星系群(Local Group)�e星系的命�\。就在�啄昵埃�天文�W家���J�殂y河系和最靠近它的��居仙女座大星系,以及伴�S著它��的�l星星系,����入��近的室女座星系�F(Virgo cluster),但�F在看�恚�我����能逃���@�拥拿��\,而且永�h不��成�榇笮托窍��F的一部份,暗能量���е挛����c室女座星系�F�g的距�x膨��,速度快到本星系群�o法�s上。藉由扼�⑿窍��F的�l展,暗能量也控制著星系�F�刃窍档���造。星系�F的�h境有利於各�N星系的形成,�u造出�Q�橥哥R星系、巨�E�A星系�c矮�E�A星系等形�罡鳟�的星系。透�^�{��星系聚集形成星系�F的能力,暗能量支配了�@些星系��型的相���盗俊�<o:p>
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�@故事挺�勇�的,但真��性如何呢?星系的合�恪⒑诙吹幕��优c�a星的形成都�S著�r�g而衰退,它���O有可能是以某�N方式相互�P��著,但是天文�W家尚未能完全�B�Y�@一整��系列的事件,目前我��正利用哈伯太空望�h�R、�X卓X射��太空望�h�R和高�`敏度的地面�z影�c光�V�x,�M行巡天�^�y,�⒃谖����啄��茸屑��z���@些事件之�g的�P��;有��方法是先普查�b�h活�S星系的�盗浚�然後估��它��上次�l生合�愕��r�g,此��分析工作�⑿枰��l展新的理��工具,�@也是接下���的��任���的短期目�恕�<o:p>
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�恳惑�而�尤�身<o:p>
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由暗能量主�в钪娴募铀伲�是��合理的解答,它可以解��星系族群�e�a生的所有已�^�y到的��化,也就是星系合�愕闹��嗪桶殡S而�淼谋厝会峁�,例如�适�形成�a星的活力,�K�K�Y星系型�B的���Q。假如�]有暗能量,星系合�愕幕��涌赡���持�m得更久些,那�N今天的宇宙�e�⒋嬖谥�更多由古老�a星所�M成的大型星系。同�拥兀�宇宙中低�|量系�y的�的���更少,而像�y河系�@�拥穆菪�星系�盗�����稀少�S多(假�O螺旋星系�o法在合�氵^程中保存下�恚�。星系的大尺度�Y��可能��束�`得更�o密,而且���l生更多次的�Y��合�闩c吸�e。<o:p>
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相反地,如果暗能量的��度比�F在更大,宇宙中的星系合�闶录����p少,使大型星系�c星系�F的�盗扛�少。由於在�r�g的�L河�e,星系�g�^少�l生合�悖�星系�F的�|量�⒉���那�N高,甚至不��有星系�F存在,因此螺旋星系�c低�|量的不���t�畎�星系����得更普遍。同�r,�a星的形成�盗靠赡鼙容^少,使得宇宙�e��於�怏w���B的重子�|量比例�^高。<o:p>
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�m然�@些�^程似乎�x我��相���b�h,但星系的形成方式其��也影��我��的存在。只有�a星才能�u造出比��重的元素,而那些重元素�t是建����地行星�c生命的必需材料。假如�a星形成率太低,就�o法�u造出�蜇S富的�@��元素,那�N宇宙�⒉���有�@�N多行星,可能也就不��演化出生命。因此,暗能量可能�τ钪嫜e�S多不同且看似毫不相干的事物,有著深�h的效��,甚至影��了地球的�v史����。<o:p>
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暗能量��然尚未完成它的工作。它看�硭坪��ι�命有益:宇宙加速�⒖杀苊馓煳��W家不久之前��在���n的事情宇宙最�K��崩塌。但暗能量也���砥渌�的�L�U,至少,它���s�b�h的星系,使它��後退得太快而永�h消逝在我��的眼前,我��的星系和��居的周遭逐�u�Q空,把我���z留在日益孤寂的�u上;星系�F、星系甚至漂浮於星系�H空�g的�a星,�K�⒃饨��d於�O有限的球���^域,其重力可及的�����⒉怀��^它��本身的大小。<o:p>
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更糟的是,暗能量可能��在演化。有些模型�A�y,如果暗能量�S著�r�g而成�橛肋h宰制一切的力量,它����撕裂像星系�F和星系�@�拥闹亓κ��`系�y,最後,地球也��被扯�x太��,地球上的�f事�f物都�⒁黄鸨凰撼伤槠�,甚至�B原子也�y逃毒手。曾一度躲在物�|背後的暗能量,�K���绦衅渥钺岬��统稹�<o:p>
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