宇宙第一批星體爆發 「熱」暗物質背後操控

2007-09-28 13:49 英國杜勒姆(Durham)大學的宇宙學家高亮(Liang Gao，音譯)和湯姆．瑟恩斯(Tom Theuns)博士在《科學》雜誌上發表最新研究成果提出，暗物質在宇宙早期結構、星體形成中至關重要。佔據宇宙大部分質量的暗物質粒子的快速運動，導致宇宙早期第一批星體的形成，而且早期星體形成來自宇宙間巨大細長絲狀結構的爆發。

他們利用超級計算機進行的模擬研究顯示，不同於科學家以前提出的暗物質中慢速運動粒子形成星體的理論，他們發現，早期宇宙產生的新星體，是由構成暗物質的快速運動粒子在相互作用下形成的。

科學家在幾十年前發現宇宙中存在暗物質，並推測暗物質在宇宙形成早期起到重要作用。高亮和湯姆．瑟恩斯的這項突破性的成果為不僅為此找到了新的證據，而且為宇宙早期星系形成的研究提供了基礎。

早期新星爆發 點亮黑暗的宇宙

兩位宇宙學家高亮和湯姆．瑟恩斯在9月14日出版的《科學》雜誌上，發表了一篇題為「纖絲照亮宇宙」(Lighting the Universe with Filaments)的文章，揭示出早期星體的形成與它們包含的暗物質的溫度存在直接的關係。

按照宇宙大爆炸理論，在宇宙發生大爆炸之後，裡面的暗物質會變得比較均勻，僅存一些小的「波紋」。漸漸地「波紋」因為裡面的暗物質顆粒受到力的作用而變大。在大爆炸的10億年後，原始氣體進入這些新的結構中，孕育了早期的恆星。


目前流行的星體產生模型基於暗物質是「冷」的假設，就是說，這種「冷」的暗物質中的粒子運動是緩慢的，它們在相互壓縮下，形成單個的巨大恆星。

而高亮和湯姆．瑟恩斯的模擬顯示，實際上宇宙中的暗物質是由快速運動的粒子構成的「熱」暗物質。不同於原來的模型，新的模擬結果認為，因為「熱」的暗物質中粒子的移動速度非常快，不會通過相互壓縮的方式形成新星體。

他們提出，「熱」的暗物質粒子作用下，嬰兒宇宙中的原始氣體塌陷形成巨大的、長的「纖絲」(filaments)。這些纖絲上發生巨大爆炸、折斷，形成新的星體。這些恆星的爆發會點亮黑暗的宇宙，形成壯觀的景象。

瑟恩斯博士說：「這些纖絲大約相當於我們銀河系長度的1/4，質量相當於1000萬個太陽，因此有足夠的燃料供給很多星體。」

纖絲爆炸產生星團 壽命較長

瑟恩斯表示，「熱」的暗物質形成的恆星時，會在纖絲爆炸的過程中，形成不同大小、數量不等的星團，而不像「冷」的暗物質那樣形成單個的星體。

模擬結果還顯示，如果按照恆星是由「冷」的暗物質形成的模型，那麼這樣的星體質量就大。恆星質量越大，生命就越短，因此這些大星系不會存活到現在。相比之下，新的「纖絲」模型提出的「熱」的暗物質形成的恆星質量小，但是可以存活到現在。

他們認為，如果暗物質確實是「熱」的，那麼宇宙早期的第一批恆星有些就在我們的銀河系中，仍然存在。


合理解釋星體特性

高亮和湯姆．瑟恩斯在發表的文章中表示，這個模型可以解釋為什麼星系中存在大量含金屬成份少的恆星。

科學家們發現宇宙中存在的這些金屬成份少、質量較小的恆星中，主要有原始的基礎物質，比如氫、氦等。說明它們是宇宙早期形成的產物，這個現象與新的模型吻合。

兩位學者還期望宇宙學家們能夠在天體間發現年齡非常大的恆星，進一步證實這個模型的科學性。

此外，兩位研究者也提出了在新的模型下黑洞的形成機制。他們認為，在「纖絲」的最終塌陷過程中，斷裂的纖絲和新星的碰撞為星系中心的黑洞形成埋下了種子。

一些天文學同行給予高亮和湯姆．瑟恩斯的研究很高評價，認為是一項「非常有意義的成果」。因為過去的模型尚未找到支持的證據。

暗物質佔宇宙大部分質量

早在1933年，宇航學家Fritz Zwicky首先描述了宇宙中的「質量缺失」現象，即如果星系僅由我們可以觀測到的常規物質組成，其運動不能用牛頓引力理論來解釋，可觀測的物質比實際質量小很多。

於是科學家們提出星系由我們可以觀測到的常規物質和我們觀測不到的暗物質組成，星系的大部分質量來自暗物質。常規物質包括星體和氣體，而暗物質不發出、也不反射光線，所以無法檢測。

但是科學家推測，暗物質佔宇宙質量的3/4，甚至5/6，遠遠大於可見物質的質量。在過去幾十年來，科學家已經發現很多證據，證明暗物質的存在。


2006年8月，美國航天航空局(NASA)發布結果，科學家在兩個大星系團的巨大碰撞中，首次發現了暗物質存在的直接證據。

科學家推測，暗物質在宇宙早期的演化過程中，對星系中的常規物質聚集成為星系結構，起著至關重要的作用，可以說，暗物質是建造宇宙的腳手架，而星體和星系則在暗物質的構架中彙集成形。

高亮和湯姆．瑟恩斯的研究成果為暗物質在宇宙早期形成的作用找到了新的證據。