暗物質會因為引力而坍縮嗎？

在138億年前,宇宙從一個極端熾熱、 緻密的初始狀態開始膨脹, 這一事件被稱爲大爆炸。 我們並不知道這個初始狀態從何而來, 也無法回答大爆炸之前是否存在之前, 但我們可以通過殘留在宇宙中的微波背景輻射, 追溯早期宇宙的演化過程。 在大爆炸後的最初38萬年裏, 宇宙溫度極高,物質以等離子體形態存在, 電子和原子核無法結合, 輻射也無法自由傳播。 由於暗物質幾乎不與輻射發生相互作用, 它在引力作用下率先聚集, 爲後來的結構形成奠定基礎。 大約在38萬年後, 電子與原子核結合形成中性原子, 光子得以自由傳播, 這便是我們今天觀測到的宇宙微波背景輻射。 暗物質的引力逐漸拉攏普通物質, 使其發生坍縮, 第一批恆星點亮了宇宙。 大約在一億至兩億年後, 恆星紀元拉開序幕, 於在宇宙誕生三億年後, 最初的星系開始形成, 銀河系等古老星系由此走向輝煌。 當宇宙演化至約92億年時, 太陽系形成, 約在138億年的今天, 人類文明誕生在地球上。 然而未來並不平靜, 大約在40億年後, 太陽將膨脹成紅巨星, 吞噬地球, 而在更遙遠的未來, 太陽系也將走向終結。 宇宙的故事仍在繼續。 暗物質是爲了解釋觀測 與理論不匹配而提出的一個理論假設。 在大量的天文學觀測中, 看上去與現有引力理論相悖的現象中, 絕大部分可以通過 假設暗物質的存在得以合理的解釋。 目前的天文學觀測和地面物理實驗表明, 暗物質的基本性只是只參與 宇宙中的引力相互作用, 而不參與出引力作用之外的任何其他相互作用。 簡單來說, 暗物質是一種我們可以通過引力感受到, 但是幾乎無法用電磁波直接探測到的物質。 現代天文學通過天體動力學, 引力透鏡效應, 微波背景輻射等觀測, 結果證明暗物質大量地存在於星系、 星團及宇宙的大尺度結構中, 其總質量遠大於宇宙中全部可見天體的 總質質量。 目前的數據表明, 宇宙中暗物質大約佔全部物質總質量的85%, 佔宇宙總質能的26%。 暗物質受引力作用, 那它們爲什麼沒有坍縮成天體或黑洞? 這個問題確實有一些迷惑性, 因爲我們熟知的行星、恆星、 星系、星系團, 甚至是在宇宙的大尺度結構上都是在 引力的主導下形成的。 下面我們就先說下, 普通物質是怎樣在引力的作用下凝聚在一起的。 暗物質爲何不聚集這個問題, 就自然會有答案。 在我們生活中, 最常見的物質在微觀層面上都是由原子構成的。 如果我們再深入到原子, 就能發現一些質子、中子、 電子這些亞原子粒子。 在自然界中這些粒子並不會單獨存在, 它們通過各種各樣的方式結合成了 我們這個多樣性的世界。 那原子一開始是怎麼來的? 在宇宙的整個演化歷史中, 有一個特別重要的時期, 那就是中性原子形成的時候。 在這之前, 宇宙就已經充滿了氫、亥原子核、 電子和赤熱稠密的輻射粒子。 因爲此時宇宙的輻射能量較高, 原子核和電子還無法結合形成中性原子, 宇宙也對光子不透明。 這個時期就跟我們的太陽內部極其相似, 但密度和溫度遠沒有那麼高。 但是宇宙自打爆炸後一直在膨脹, 膨脹就代表着它會溫度降低、 密度降低, 等到了宇宙誕生大約38萬年的時候, 宇宙中的第一批中性原子才得以形成, 這時光子也自由了, 不再受帶電粒子的碰撞, 宇宙也發出了其歷史上的第一縷光, 並且攜帶宇宙早期的物質密度、 分佈等重要信息, 穿越了138億年的歷史到達了我們地球, 這就是微波背景輻射。 剩下的事情就是宇宙的造物時期, 這些中性原子中包含了大量的氫, 少量的氦以及極其微量的鋰, 這些元素就構成了宇宙萬物的初始材料。 並在隨後的幾十億年中 在引力的作用下形成了航星、 星系以及我們現在看到的大尺度絲狀結構。 那麼我們的宇宙就這麼單調嗎? 都是由這些中性原子組成的。 後來通過我們對星系旋轉曲線、 宇宙微波背景溫度波動、 宇宙早期氫元素封堵、 種子聲波震盪、LA型超新星紅移數據的觀察, 我們發現了一個驚人的事實。 在宇宙中物質佔了總質能的32%, 其餘爲暗能量。 我們知道正常的物質凝聚成了團塊, 那麼這些暗物質呢? 它們以怎樣的形式存在於宇宙中? 爲什麼沒有所謂的暗物質天體? 上途爲銀河系的暗物質運。 我們目前認爲暗物質已十分彌散, 蓬鬆的狀態處於星系的周圍, 看起來就像厚厚的一層棉被包裹着星系, 爲星系提供足夠的引力。 銀河系的直徑爲十萬光年, 那麼它的暗物質運就足足有一百萬光年。 這是爲什麼呢? 首先我們要知道在自然界中 有四種基本力, 大部分粒子都會與引力發生作用, 而強力將夸克,膠子,質子, 中子束縛在一起形成原子核, 電磁力將原子核和電子 以及原子和原子結合在一起, 而弱力控制着大質量粒子的衰變過程, 因此正常物質能夠集合在一起 形成物質團塊, 絕非引力一個力的功勞。 上途爲子彈星團相互碰撞後的引力可視化圖像, 紅色代表星團內正常物質氣體 所產生的引力, 藍色則代表暗物質。 從圖中可以看到正常物質相撞以後 會發生碰撞, 交換動能產生相互作用, 這就爲原子直接結合反應提供了機會。 但暗物質呢, 它們雖說會受引力的作用, 但是它們不與任何物質, 包括自身發生互動, 沒有傳統意義上的碰撞, 也不會交換能量, 只是直接互相穿過。 因此只能感受到引力的暗物質是不會形成任何的結構, 只會以彌散的狀態存在, 更不會形成所謂的黑洞。 在我們的宇宙中, 我們能夠直接探測,測量,操縱, 實驗和觀察的或許是普通物質, 但暗物質纔是宇宙中最重要的組成部分。 行星,恆星,氣體, 等離子體和塵埃等所有物質 僅佔宇宙總能量的4.9%, 而神祕的暗物質其性質尚不清楚, 但觀測天體物理證據確鑿, 卻佔據了宇宙能量預算的27%。 從能量密度的角度來看, 只有佔宇宙68%的暗能量 比暗物質更重要。 然而,暗物質只存在於彌散的雲中, 從未像普通物質那樣 以坍縮的快狀形式存在。 這是爲什麼呢?暗物質既然具有引力, 怎麼會不坍縮呢? 我至今還沒看到任何討論討論過 這是一個棘手的問題, 因爲它伴隨着兩個常見的誤解。 首先,即使我們在天體物理學中 一直使用引力坍縮這個術語, 僅僅引力就足以導致坍縮。 其次,沒有坍縮就意味着 存在某種排斥力。 讓我們深入探究這個謎題, 揭開真相。 要理解暗物質會發生什麼, 以及不會發生什麼, 最好的方法就是先考慮 我們更熟悉的物質——正常物質。 我們所知的大多數正常物質 都以原子的形式存在——原子核。 由裸質子或質子與中子的結合體組成, 周圍環繞着質量輕得多的粒子, 即電子。 中性原子的電子數量 與原子核中的質子數量相同, 而離子的電子數量 則比原子核中的質子數量多或少。 由於這些物理特性 是普通物質所固有的, 我們實際上需要考慮 普通物質的三大類例。 引力會影響任何具有能量 核或質量的粒子, 其中質量是靜止能量的一種形式。 普通物質的所有主要成分, 質子、中子和電子都具有這種能量。 電磁力會影響任何帶有靜電荷 或其組成部分帶電荷的粒子, 尤其是在它們運動或相互接觸時。 核力使質子和中子結合在一起, 使聚變和裂變反映成爲可能, 並控制不穩定原子核的放射性衰變。 我們在宇宙中看到的最常見的現象之一 就是普通物質的坍縮, 正如我們常說的, 在自身引力的作用下, 並導致新恆星的形成。 提出是什麼驅動了這種坍縮, 這個問題並得出一個直截了當的答案, 這絕對是合理的引力。 這部分正確, 如果你取一團巨大而巨大的氣體雲, 其中所有粒子最初都處於靜止狀態, 然後關閉所有非引力作用, 只讓引力發揮作用, 你就會得到引力坍縮。 事實上, 正如二十世紀初廣義相對論 以及當前形式首次提出後 不久所表明的那樣, 你不僅會看到引力坍縮的發生, 還會看到引力坍縮一路引領你形成黑洞。 粒子的初始結構也無關緊要, 它們可能是球形、圓柱形、 立方體、圓形分佈, 甚至完全隨機, 就像某種野生土豆。 這些都不重要。 如果所有粒子都處於靜止狀態, 並且宇宙中除了這個局部的 由大質量粒子主導的空間區域中的 引力之外沒有其他任何作用, 那麼這就是唯一可能的結果—— 引力坍縮,直達黑洞。 但如果還有其他特性在起作用呢? 當然,你可能會認爲 首先要做的就是啓動核粒。 因此,由於這些粒子是原子, 其核心是原子核, 你會推斷引力坍縮只會持續到原子核 足夠接近到足以觸發核聚變, 從而導致恆星形成。 然而,在你到達那個階段之前, 你可能會意識到, 你忽略了一個重要的物理事實, 這對你自己來說是有害的, 核聚變,即控制恆星能量產生的過程, 並非僅僅由恆星核心的粒子密度決定, 而是取決於粒子密度 和恆星核心類粒子的溫度。 特別是,恆星中最常見的 核聚變類型,裸質子聚變成 更重的原子核, 只有在溫度達到或超過400萬開爾文時 才能進行, 這確實是一個非常高的溫度。 當談到我們所謂的引力坍縮 實際上是如何運作的時候, 我們忽略了兩件非常重要的事情, 形成這些恆星的粒子的能量, 以及控制這些粒子的加熱、冷卻、 輻射和相互作用的電磁力。 在我們真實的宇宙中, 不可能存在大量分佈在 廣闊空間中的大質量粒子, 並且它們都瞬間處於靜止狀態。 相反,任何氣體雲中的粒子 都基於它們所經歷的相互作用而具有固有速度, 我們稱之爲氣體動力學理論。 粒子四處彈跳並相互作用, 交換能量和動量, 直到達到所謂的熱平衡狀態 即系統任何部分的平均熱量等於 整個系統本身的平均熱量的狀態。 由於電磁相互作用, 這種情況只發生在原子和離子 宇宙中最常見的正常物質形式中。 粒子相互碰撞有兩種方式, 彈性碰撞,粒子在相互反彈的同時, 能量和動量都守恆, 每次彈性碰撞都會使系統 更接近熱平衡。 非彈性碰撞,粒子在相互反彈的同時, 動量守恆,但會因部分或全部 粘在一起而損失能量。 每次非彈性碰撞都會降低系統的 總動能,但會產生另一種形式的能量, 熱量。 如果所有碰撞都是彈性的, 那麼你只會得到一大團氣體, 它們圍繞其整體質心旋轉和旋轉, 其特性由一個經過充分研究的 分佈決定,邁克斯維·波爾茲曼分佈。 如上所示,對於在 恆容量熱氣內加熱到特定溫度的氣體, 這是一個通常有用的近似值。 然而,如果你取 同樣數量的假想氣體, 並減少其所佔的體積, 這正是坍縮發生時會發生的情況, 你會發現氣體的溫度升高了, 更高的溫度對應於更高的速度和更大的 動能,這也會導致另一個結果, 更高的壓力。當增加 氣體壓力時,它往往會向外膨脹。 因此,讓氣體雲 坍縮的唯一方法是從足夠冷的 氣體雲開始,當它開始收縮時, 必須足夠有效地散熱, 否則它不會進一步坍縮, 反而會重新膨脹。 那麼,正常物質是如何散熱的呢? 通過放熱的非彈性碰撞, 通過發射光子的電磁輻射, 或者通過與溫度更低的物質群接觸, 這就是爲什麼我們無法從熱氣體群中 形成新恆星的原因, 初始分子云必須足夠冷, 否則就無法坍縮。 這也是爲什麼圓恆星和其他 坍縮氣體雲的核心會形成巨大的溫度梯度, 因爲在粒子密度最大, 坍縮最嚴重的地方,熱量被困住了, 而密度較低的外層更容易輻射, 對流和傳遞熱量。 這也是爲什麼大型氣體雲往往會 分裂成更小的團塊, 也是爲什麼我們不僅從大多數恆星形成區域 形成一顆巨星,而是數百、數千 甚至更多質量各異的恆星的原因。 然而,所有這些散熱或 釋放動能的方式都依賴於一種事, 輻射、熱傳遞和飛彈性碰撞 成爲可能的相互作用——電磁力。 如果我們關閉電磁相互作用, 或許幸運的是, 我們無法對正常物質做到這一點, 那麼氣體雲就永遠無法坍縮形成恆星。 此外,正常物質也無法坍縮 形成盤狀星系的盤狀結構, 物質永遠不會在新形成的恆星周圍 形成圓形星盤, 從而永遠不會形成行星, 宇宙將難以形成任何束縛結構, 但它可能會形成彌散的、蓬鬆的結構。 主要有兩個原因, 一是仍然會存在大質量粒子, 或者說具有正靜止質量的粒子, 二是宇宙正在膨脹。 我們通常認爲膨脹的宇宙對輻射很重要, 比如光子或引力波。 如果宇宙膨脹, 輻射穿過它, 輻射的波長會變長, 從而損失能量或者說冷卻。 事實證明, 隨着宇宙膨脹, 損失能量和冷卻的物質並非只有輻射, 大質量粒子或者說物質也會如此。 物質的能量由兩個部分組成, 靜止質量能量, 它不會隨着宇宙膨脹而改變, 儘管我們的宇宙始於一場熱大爆炸, 但它也一直在膨脹。 一般來說, 對於物質來說, 當其動能與其靜止質量能量相當時, 它會以接近光速的速度運動, 其行爲類似於輻射。 但當它的動能相對於其靜止質量能量叫囂時, 它就會運動緩慢並開始聚集在一起。 換句話說, 即使我們用正常物質填充宇宙, 並關閉電磁相互作用, 隨着宇宙的膨脹, 物質的運動速度也會減慢, 並聚集在一起形成巨大、巨大、迷在的結構, 運河絲狀結構。 這聽起來熟悉嗎? 聽起來應該很熟悉。 暗物質的行爲方式正是如此, 就像關閉了電磁相互作用, 至少強和相互作用的正常物質一樣。 正常物質可以坍縮, 做出諸如碎裂、粘在一起、 釋放能量和發生非彈性碰撞之類的行爲, 而暗物質卻做不到這些。 它只能通過引力吸引其他粒子, 並隨着宇宙的膨脹而失去動能。 換句話說,儘管我們作爲天體物理學家, 包括我個人, 作爲一名天體物理學家, 經常談論正常物質的引力坍縮, 但引力並非我們熟悉的 坍縮結構形成的主要因素。 引力是坍縮的驅動因素, 但電磁相互作用纔是坍縮結構形成的原因。 這就是正常物質得以形成的唯一原因, 恆星、星系、行星天體物理上真實的黑洞, 像中子星和白矮星這樣的恆星殘骸, 以及包括氣體和塵埃在內的冷物質集合。 總而言之, 如果沒有電磁相互作用, 正常物質就會像暗物質一樣 被困在巨大、 彌散、蓬鬆、 運撞的結構中, 無法進一步坍縮。 這就是大謎題的答案。 常然, 引力是所有具有靜止質量的物體之間相互吸引的動力, 並且在給定體積內限制的總質量越大, 該物質集合的自引力就越強。 但引力並不違反能量守恆, 它只是在粒子被吸引到引力最強的位置時, 將勢能轉化爲動能。 除非存在某種機制讓這些運動粒子 做到以下事情, 輻射能量, 碰撞、相互作用、 粘合或融合, 非建成另一種物質形式或轉移熱量能量, 否則它們永遠不會完全坍縮, 而只會保持結合在一起, 形成一個彌散、蓬鬆、 未坍縮的光運。 暗物質和普通物質之間最大的區別 根本不是質量或引力之類的因素。 事實上,這兩種屬性不僅非常相似, 而且它們所經歷的也完全相同。 最大的區別在於, 正常物質也會通過其他力相互作用, 尤其是通過電磁力, 這使得它能夠做到所有上述的事情, 而暗物質則不會經歷這些事情。 至少就我們所能探測到的而言, 暗物質不會受到排斥力, 也不需要受到排斥力, 僅僅是它只通過引力相互作用, 而不通過任何其他方式相互作用 這一事實就確保了它永遠不會像 正常物質那樣經常且不可避免的 坍縮形成緻密複雜的結構。 宇宙中暗物質的存在塑造了星系, 卻從未像普通物質那樣 坍縮成恆星或行星。 如果暗物質也會坍縮, 宇宙或許會走向完全不同的結局, 星系的結構, 恆星的誕生甚至生命的出現都可能改寫。 科學尚未揭開這一謎團, 但正因如此, 我們才得以不斷追問宇宙爲何是今天的模樣。