宇宙第一批星体爆发 “热”暗物质背后操控

2007-09-28 13:49 英国杜勒姆(Durham)大学的宇宙学家高亮(Liang Gao，音译)和汤姆．瑟恩斯(Tom Theuns)博士在《科学》杂志上发表最新研究成果提出，暗物质在宇宙早期结构、星体形成中至关重要。占据宇宙大部份质量的暗物质粒子的快速运动，导致宇宙早期第一批星体的形成，而且早期星体形成来自宇宙间巨大细长丝状结构的爆发。

他们利用超级计算机进行的模拟研究显示，不同于科学家以前提出的暗物质中慢速运动粒子形成星体的理论，他们发现，早期宇宙产生的新星体，是由构成暗物质的快速运动粒子在相互作用下形成的。

科学家在几十年前发现宇宙中存在暗物质，并推测暗物质在宇宙形成早期起到重要作用。高亮和汤姆．瑟恩斯的这项突破性的成果为不仅为此找到了新的证据，而且为宇宙早期星系形成的研究提供了基础。

早期新星爆发 点亮黑暗的宇宙

两位宇宙学家高亮和汤姆．瑟恩斯在9月14日出版的《科学》杂志上，发表了一篇题为“纤丝照亮宇宙”(Lighting the Universe with Filaments)的文章，揭示出早期星体的形成与它们包含的暗物质的温度存在直接的关系。

按照宇宙大爆炸理论，在宇宙发生大爆炸之后，里面的暗物质会变得比较均匀，仅存一些小的“波纹”。渐渐地“波纹”因为里面的暗物质颗粒受到力的作用而变大。在大爆炸的10亿年后，原始气体进入这些新的结构中，孕育了早期的恒星。


目前流行的星体产生模型基于暗物质是“冷”的假设，就是说，这种“冷”的暗物质中的粒子运动是缓慢的，它们在相互压缩下，形成单个的巨大恒星。

而高亮和汤姆．瑟恩斯的模拟显示，实际上宇宙中的暗物质是由快速运动的粒子构成的“热”暗物质。不同于原来的模型，新的模拟结果认为，因为“热”的暗物质中粒子的移动速度非常快，不会通过相互压缩的方式形成新星体。

他们提出，“热”的暗物质粒子作用下，婴儿宇宙中的原始气体塌陷形成巨大的、长的“纤丝”(filaments)。这些纤丝上发生巨大爆炸、折断，形成新的星体。这些恒星的爆发会点亮黑暗的宇宙，形成壮观的景象。

瑟恩斯博士说：“这些纤丝大约相当于我们银河系长度的1/4，质量相当于1000万个太阳，因此有足够的燃料供给很多星体。”

纤丝爆炸产生星团 寿命较长

瑟恩斯表示，“热”的暗物质形成的恒星时，会在纤丝爆炸的过程中，形成不同大小、数量不等的星团，而不像“冷”的暗物质那样形成单个的星体。

模拟结果还显示，如果按照恒星是由“冷”的暗物质形成的模型，那么这样的星体质量就大。恒星质量越大，生命就越短，因此这些大星系不会存活到现在。相比之下，新的“纤丝”模型提出的“热”的暗物质形成的恒星质量小，但是可以存活到现在。

他们认为，如果暗物质确实是“热”的，那么宇宙早期的第一批恒星有些就在我们的银河系中，仍然存在。


合理解释星体特性

高亮和汤姆．瑟恩斯在发表的文章中表示，这个模型可以解释为什么星系中存在大量含金属成份少的恒星。

科学家们发现宇宙中存在的这些金属成份少、质量较小的恒星中，主要有原始的基础物质，比如氢、氦等。说明它们是宇宙早期形成的产物，这个现象与新的模型吻合。

两位学者还期望宇宙学家们能够在天体间发现年龄非常大的恒星，进一步证实这个模型的科学性。

此外，两位研究者也提出了在新的模型下黑洞的形成机制。他们认为，在“纤丝”的最终塌陷过程中，断裂的纤丝和新星的碰撞为星系中心的黑洞形成埋下了种子。

一些天文学同行给予高亮和汤姆．瑟恩斯的研究很高评价，认为是一项“非常有意义的成果”。因为过去的模型尚未找到支持的证据。

暗物质占宇宙大部份质量

早在1933年，宇航学家Fritz Zwicky首先描述了宇宙中的“质量缺失”现象，即如果星系仅由我们可以观测到的常规物质组成，其运动不能用牛顿引力理论来解释，可观测的物质比实际质量小很多。

于是科学家们提出星系由我们可以观测到的常规物质和我们观测不到的暗物质组成，星系的大部份质量来自暗物质。常规物质包括星体和气体，而暗物质不发出、也不反射光线，所以无法检测。

但是科学家推测，暗物质占宇宙质量的3/4，甚至5/6，远远大于可见物质的质量。在过去几十年来，科学家已经发现很多证据，证明暗物质的存在。


2006年8月，美国航天航空局(NASA)发布结果，科学家在两个大星系团的巨大碰撞中，首次发现了暗物质存在的直接证据。

科学家推测，暗物质在宇宙早期的演化过程中，对星系中的常规物质聚集成为星系结构，起着至关重要的作用，可以说，暗物质是建造宇宙的脚手架，而星体和星系则在暗物质的构架中汇集成形。

高亮和汤姆．瑟恩斯的研究成果为暗物质在宇宙早期形成的作用找到了新的证据。