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十五分钟 · 用尘埃的视角仰观宇宙,而后敬畏它

图片:知乎

王梦宇,和知乎在一起。

@狐狸先生 :国家天文台副研究员

康德说:这世界上有两件事情,我们总是越去想它,就越会觉得这些事情非常的有意思,会有更多的赞叹和敬畏。一件事情是我们心中的道德法则,另一件事情是我们头顶的星空。

有趣的是,在过去的 100 年里,真正令天文学家感到赞叹和敬畏的,并不是我们头上灿烂的星空,而是藏在灿烂的星空背后的黑暗的世界。

——狐狸先生表达对宇宙的敬畏

星系团里应该存在着非常多的「暗物质」。「暗物质」是茨维基给这些物质起的一个名字。他认为它们(暗物质)的量,要比可见物质、比我们可以看到的恒星,多十倍以上。

当我们地球上的人透过星系团去看遥远的星空,去看更遥远的宇宙时,那么远处的宇宙图像就会被扭曲的星空所弯曲。
茨维基把这个现象叫做「引力透镜」。当然这个概念,实际上爱因斯坦已经推出来了。

——狐狸先生谈「暗物质」和「引力透镜」现象

生活中的透镜很常见。我们找一个「刘看山」的本子,然后把一个红酒杯底放上去,我们会发现这只北极狐的鼻子发生了扭曲,它的鱼缸也发生了扭曲。这就是我们生活中的透镜。

我们也可以放一个「刘看山」进来,之后放一个引力透镜,「刘看山」会变得更大,眼睛也变成了熊猫眼。这些都是理论的计算。也许大家会问:是不是在我们的宇宙中,真的有很多「刘看山」的熊猫眼呢?答案是肯定的。

——狐狸先生以「刘看山」为例谈透镜

大家好,我是知乎的「狐狸先生」。

非常高兴能够有 15 分钟的时间,在这里跟大家分享关于宇宙的事情。我的题目是《镜中的宇宙》。

我想用一句大家都很熟知的康德的话作为演讲的开头。康德说:有两种东西,我对它们的思考越是深沉和持久,他们在我心中唤起的赞叹和敬畏就会越来越历久弥新,一是我们头顶浩瀚灿烂的星空,一是我们心中崇高的道德法则。但有趣的是,在过去的 100 年里,真正令天文学家感到赞叹和敬畏的,并不是我们头上灿烂的星空,而是藏在灿烂的星空背后的黑暗的世界。

带领我们发现这件事情的人,是 1933 年的一位加州理工大学的教授,他的名字叫做茨维基。就是我们的屏幕右下方这位看上去非常富有激情的老先生。

在 1933 年的时候,他还是一位年轻的教授,研究了当时我们所看到的、距离银河系非常近的一块天区。这块天区有一个很美丽的星系团,就如屏幕上所显示的「后发座星系团」。

什么叫星系团?我们知道银河系是一个星系,太阳是银河系中的一颗恒星,而银河系中有千亿颗和太阳一样的恒星。当很多的星系聚合在一起的时候,我们就会看到天上的一个星系团。

是什么使得这些星系聚在一起?当时人们认为:一定是这些星星相互之间的引力。我们站在地球上,地球的引力使我们不会飞到太空中去。但如果我们用火箭发射一个速度非常快的的飞船,这样的飞船就有可能挣脱地球的引力,离开地球的轨道并且飞入深空中去。

当时茨维基干了一件什么事情呢?他研究了后发座的星系团中每一个星系的速度,而后他发现这些星星跑的速度太快了。如果你认为你看到的星系团里的物质,就是所有你看见的这些发光的恒星,那么这些星星早就应该飞到星系团外面去了。也就是说,你所看到的星系团中的物质,无法产生足以束缚这些星系的引力。

茨维基说:这并不是因为引力理论错了,而是因为我们并没有能够真正的找到星系团里面的所有物质。这个星系团里应该存在着非常多的「暗物质」。「暗物质」是他给这些物质起的一个名字。他认为它们(暗物质)的量,要比可见物质、比我们可以看到的恒星,多十倍以上。

也许大家会问,当我们仅仅有这样的一个例证——我们看到的一些星系它的运动速度很快,难道就能说明暗物质一定会存在吗?茨维基也不这么认为。他提出了很多可以验证这件事情的证据。他说:如果一个星系团里有非常多的暗物质,那么这些物质产生的引力就可以扭曲它周围的时空。当我们地球上的人透过星系团去看遥远的星空,去看更遥远的宇宙时,远处的宇宙图像就会被扭曲的星空所弯曲。他把这个现象叫做「引力透镜」。当然这个概念,实际上爱因斯坦已经推出来了。

其实我们生活中的透镜很常见:

我们找一个「刘看山」的本子,然后把一个红酒杯底放上去,我们会发现这只北极狐的鼻子发生了扭曲,它的鱼竿也发生了扭曲。这就是我们生活中的透镜。我们(生活中)有凸透镜,也有凹透镜,它们能做的事情无非就是弯曲光线。在我们的宇宙中,也有很多可以弯曲光线的透镜,它们就是天体。

每一个天体都包含着非常多的质量,这些质量会弯曲它周围的星空。当地球上的观测者去观察远处的星系时,这些星系发出来的光会走弯曲的时空进入人眼,也就是说这些光线不再走直线进入人眼。这会产生什么后果?

我们假设,这个屏幕上最左边正中间的天体,是我们远处的一个天体。它所发出的光线射向这个地球上的观测者时,中途遇到了另外一个天体,那么这个天体的引力弯曲效应,就会使它发出的光线同时从上面和下面,进入地球的人眼。

平常我们去看透镜和镜子成像,我们人眼追踪的实际上是光线的反向延长线。我们认为那个「像」一定在光线的反向延长线上。所以当人看到这样的光线的时候,他就会觉得这个天体有两个像:上面有一个,下面也有一个。如果我们进一步去想,我们的宇宙是三维的,不是二维的时空、二维的空间,那么这个天体实际上不是只能从上边和下边进入我们地球上的人的眼中,它可以从不同的方向弯折以后进入我们的眼中。所以我们应该看到一个环。

我的合作者开发过一个软件,大家可以在自己的手机上进行下载,去体验引力透镜的现象。它叫 「 GravLens 」。这个东西怎么玩?首先我们在这个软件里面放一个星系:

就是这个仙女座大星云的图像。我们大多数时候看到的宇宙里面的星星,距离我们是非常远的,所以我们可以把它挪远一点。之后我们会看到,它在这个(屏幕)上面变成了非常暗淡的一个蓝点。

接下来我们在这个远处的星系和我们人类之间放上另外一个星系——一个真空中的球形星系。放上这个星系之后我们会发现,这个蓝点的位置马上发生了移动。

如果我们把它放得更近一些,我们会看到,这个蓝色的点变成了一条长弧。当三点连成一线的时候,这个蓝色星系最终会变成一个光环。爱因斯坦把这个光环称作「爱因斯坦环」。

我们把星系放大一些,让它质量更多一些,那么这个光环就会变大。如果我们改变星系的形状,我们看到的这个远处星系的扭曲,也会发生改变。当我们把前面的星系挖掉,我们就看到一个星系产生了四个像。有时候大家也会把这个称作「爱因斯坦十字」。

当然我们也可以放一个「刘看山」进来,之后放一个引力透镜。

「刘看山」会变得更大,眼睛也变成了熊猫眼。这些都是理论的计算。也许大家会问:是不是在我们的宇宙中,真的有很多「刘看山」的熊猫眼呢?答案是肯定的。

当我们去看这张用哈勃望远镜拍摄的宇宙的美丽照片时,相信大家很快就能够看到图片的右方有一个美丽的爱因斯坦环——一个蓝色的像戒指一样的星系,围绕在一个金黄色的星系周围。这个蓝色的星系,就是遥远宇宙中那个被弯折的星系。我们会发现茨维基说的确实是对的。

我们找到一个星系团,然后用最好的望远镜去观测它,在这个星系团中确实能够找到很多遥远宇宙中被弯曲的星系,我们可以把它标记出来。这些蓝色的、不太规则的东西,其实它们也都是星系,只是它们的光线被星系团的引力场扭曲了。

通过研究这些星系的位置和扭曲的形状,我们就可以知道这个星系团中有多少物质。如果我们回想刚才的示意图,我们就会知道星系团的质量多少和物质分布。这些都能够影响这些长弧的位置和形态。

所以今天的天文学家通过在星系团中寻找这些扭曲的星象,通过这些扭曲的星象就能推断出,在星系团中究竟有多少暗物质,以及它是如何分布的。

在这样一张图象中,用白色雾状把人们重建出的暗物质标绘出来,越亮的地方,就是暗物质越多的地方。于是大家很容易就能发现,在这个星系团的中心有很多暗物质,在星系团的外面,暗物质会变得稀疏一些。暗物质的总量确实要比可见物质的总量多很多。要比我们普通物质的量至少多五倍以上。

那么现在我要回答另外一个问题:什么叫做暗物质的「暗」?

我站在这里看(会场)后边的朋友,实际上是非常的暗的,但是他们并不是真正的暗物质。因为拿一束光打过去,就能够照亮他们。我们生活中会看到很多黑色的东西:黑色的煤、黑色的炭,它们也不是暗物质。我们拿光去照射它们,它们也会反光,构成我们可见世界的物质。它们有电磁相互作用,所以能够发射和反射电磁波。这些就使得我们可以用可见的方式去探测到它们,因为我们可以看到的只有光。

但是暗物质并不是构成我们可见世界的物质,它没有电磁相互作用。如果我们将一团暗物质放在这里,我们的手没办法抓住它。假设我可以将它固定在这里,那么我放松以后,这个暗物质就会穿过舞台,因为地球的引力一直向地心而去。这就是我们所说的暗物质。

如何能够证明这件事情?现在已经有多种证据,但是我觉得最直观的是引力透镜告诉我们的。在我们的宇宙中经常上演着两个星系团互相碰撞的戏码。

在这样一张图片中:

红色的晕状物体是两个星系团中的热气体。一个星系团中有非常多炙热的气体,这些气体主要是氢和氦。当两个星系团碰撞,因为热气相互之间的压强,速度就会减慢。在这张图中我们可以看到,右边有一个像红色子弹形状的东西,实际上它刚刚从左边这一团雾状气体中穿过。这张图片中的蓝色物体是引力透镜专家,用引力透镜的方法还原出来的,这一块天区中的物质分布。

暗物质的数量比物质要多五倍以上,所以这些物质最主要的是暗物质。在这张图片的最右侧有一团蓝色的物质,实际上这团物质在碰撞之前,和图中红色的子弹状物质是在一起的。在碰撞的过程中它不受到任何热气体的干扰,直接对穿而过。所以最后的结果是:它飞的反而比那个子弹更快了。这充分的说明我们在宇宙中,那些看不见的物质,真的是一种不发光的、不和我们可见世界发生相互作用的物质。用物理学家的话来说:它们是非重子的。

现在让我们再绕回到宇宙中。宇宙中充满了暗物质,很多朋友也许会担心:是不是在我们的宇宙中,我们看到的每一个东西都不是真实的?我们有质量、也有引力,为什么我没有使得背后的屏幕变的弯曲?这是因为在宇宙中,大多数的地方实际上是很空的,只有少数的地方才聚集着很多物质。当远处的天体发出来的光经过宇宙的时候,大多数情况下它们只发生了微微的弯折。这种情况下,弱引力透镜会变得椭一点或者圆一点。

这种情况对宇宙学家来说是非常好的。因为宇宙学家通过系统的研究遥远天体处,星系的形状和星系形状之间的关联,就可以拥有一台(像)扫描仪一样的(东西),重建整个宇宙中暗物质的分布。

这张图片显示了我们做天文学,尤其是做宇宙学的人眼中宇宙的样子:

这里红色的东西都是暗物质的分布,它是一个计算机的模拟。红色的物质中最亮的那些部分,显示的是物质密度很高的地方,也就是刚才我们看到那些星系团。我们刚才看到的那些横着的、数百万光年的巨大天体,在这样的一张图中实际上只是那种小小的亮斑。这些蓝色的天体是遥远宇宙中的星系。如果我们测量它们的形状,就会知道它们在什么地方变得更椭,在什么地方它们的指向是随机的。

我们通过这样的方法就可以重建出这个天区中的暗物质分布。那我们是不是真的能做到这件事情呢?这件事情是非常的困难的。

我的合作者刘项琨博士在我的要求下,在知乎 Live 之前,为我们重建了天空中非常小的一块天区的暗物质分布。这张照片里边的每一个亮点,都是远处宇宙中的一个星系。刘项琨博士把这个天区里面的每一个星系的形状都测量出来,并且在整个天区中做了这样的一张图:

这张图中每一点的位置,就显示了在这一点星系是怎样扭曲的,以及扭曲的程度是大还是小。当有了这张图以后,引力透镜专家就可以利用他们手里的数学模型,重建出这个天区的暗物质。

这正像我们在宇宙学数字模拟里面看到的那样,颜色非常深的地方是星系团,颜色非常浅的地方是没有物质分布的空洞区域。星系团之间往往是有大尺度的纤维结构所相连的。

这样的一张图有多大呢?其实它占有的天区面积是非常小的。我们伸出自己的手,大拇指能够遮盖的区域,差不多就是这张图在天上的位置。但它里面却包含了物理尺度上非常巨大的暗物质的信息。今天我们的天文学家就是通过这样的方法,一点一点的去重建整个宇宙中的物质分布。从这样的图中我们可以学到很多东西:宇宙中的物质在什么地方?宇宙的演化是怎样的?通过精确的研究引力透镜现象和分析暗物质世界,我们最终可以知道,宇宙是如何从 137 亿年前那场大爆炸演化到今天。

这就是我今天演讲的主要内容。最后有几句话,大家如果感兴趣可以一看。

在过去的 80 年里,我们在宇宙中发现了大量的暗物质,这些物质构成了宇宙的脊梁。实际上星系是被暗物质包裹的。暗物质不发光,但是我们可以通过引力透镜现象发现它。今天我们就是用引力透镜的现象去研究,占整个宇宙 80% 多的物质,但是却不为我们所见的世界。

谢谢大家。

完整版演讲视频:

(视频播放异常请戳链接:狐狸先生:镜中的宇宙

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