銀河系中被「隱藏」的「古爾德帶」是什麼？

「古爾德帶」之謎

19世紀中葉，英國天文學家約翰·赫歇爾注意到我們所處的星球實際上被一圈明亮的恆星環繞著，但赫歇爾並沒有很深入地研究這個現象。

1874年，美國波士頓出生的本傑明·古爾德也發現了這個現象，從此這個明亮的恆星帶被許多人所知道，並引起了廣泛的關注。後來人們便稱這個恆星帶為「古爾德帶」。在這個帶上，我們能找到許多著名的星座，包括獵戶座、天蠍座、南十字座、英仙座、大犬座、船帆座、人馬座等。這是一個很大的結構，它和銀河系之間有一個大約20度的傾斜角，那裡有幾千顆大質量恆星和大約一百萬顆低質量恆星。最重要的是，這些恆星都與銀河系中的其他恆星不一樣，它們彷彿是獨立形成的。

在銀河系裡，恆星的形成並不是雜亂無章的，它們多集中在繞銀河系中心轉動著的旋臂上，在那裡，氣體分子在相對密度較高的地方形成大塊的分子雲，然後又逐漸聚集成恆星。然而「古爾德帶」卻並不在那樣的旋臂上。歐洲南方天文台的費爾南多·科默研究「古爾德帶」已超過30年，他說:「那裡的恆星一定是被某種局部力量『點燃』的，這是一個劇烈的過程。」

在星系的尺度上，最容易讓人想到所謂的「劇烈的過程」應該是一顆恆星的爆炸，這種爆炸通常發出極為明亮的光，乃至於使那顆星看上去比一個星系還要明亮，它產生的衝擊波進入鄰近的分子雲中後便能觸發恆星的形成。然而對於「古爾德帶」，這樣的爆炸卻無力解釋，因為爆炸的恆星是將能量釋放到四面八方的，很難想像這樣的爆炸能在距銀道面（銀河系的主平面）如此遙遠的地方催生出一個恆星帶來。15年前，科默曾經認為他找到了答案。他設想，星系間的一股氣體分子雲向銀河系發生了坍塌，這種坍塌也許衝擊了另一塊巨大的分子雲，從而產生了衝擊波並引發了「古爾德帶」的形成。

這個假設很有道理，科默認為，這片坍塌的分子雲只要以某種適當的角度進入銀河系便能形成「古爾德帶」和銀河系之間的那種特有的角度。然而問題是，即使如此，它也不可能產生足夠的力量催生「古爾德帶」中如此之多的恆星。於是，這個設想最終並沒有被認可。

是什麼東西讓天文學家們看不到卻又認定它們的確存在，並且擁有足夠大的力量影響天上的群星呢？科學家的回答是——暗物質。他們說，暗物質有一個特性:它們擁有引力作用卻不吸收和釋放光子，所以它們是不可見的。在引力的作用下，暗物質很容易聚集成團，這就是「暗暈」。「暗暈」吸收普通物質，啟動恆星和星系的形成，在星系的產生和發展中扮演著至關重要的角色。但它們是如何催生了一個如此壯觀的「古爾德帶」和它裡面如此眾多的恆星呢？

原來他是對的

在暗物質這個概念出現之前，科學家們在描述宇宙時，面臨了難以迴避的尷尬。他們發現，宇宙中普通物質的引力並不足以讓宇宙發展成現在這個樣子，它應該還處在相對生澀的階段，很有可能是還沒有成熟的星系。1933年，一位名為弗里茨·茲威基的人忽然聲稱，在星系團中，看得見的星系只佔總質量的極小部分，而絕大多數星系是看不見的。

暗物質這個概念就這樣被提了出來。在茲威基說出這段話的時候，並沒有多少人相信他，人們只覺得驚訝和可笑。茲威基是一位瑞士科學家，儘管他在科學上多有建樹，但在今天他似乎也並不是一個家喻戶曉的人物，與那些科學巨星如愛因斯坦、哈勃、奧本海默相比，他的身上並沒有超級巨星的光輝，這倒有點像他發現的暗物質。按照茲威基的說法，我們看到的宇宙實際上只佔整個真實宇宙的不到10%，而另外90%以上的宇宙我們都完全看不見，這似乎太荒唐了！不過茲威基所持觀點卻是有根據的，因為他發現，大型星系團中的星系具有極高的運動速度，這樣的運動速度必須有相應的引力才能予以控制，否則星系團中的各個星系根本無法聚集在一起。茲威基通過對后髮座星系團的計算表明，僅靠這個星系團可見部分的質量根本無法維持星系團的運動，除非把這個質量擴大160倍。

這就是說，如果只計算可見的部分，那麼星系團的運動就無法解釋了。這是怎麼回事呢？茲威基認為，一定有某種東西在那裡發揮作用，但我們看不見。依照測算，暗物質在宇宙中應該能起到下列幾種重要的作用：首先，它推動星系的旋轉但卻不會讓星系分崩離析；其次，它能把眾多星系束縛在一起，使星系聚集成團；最後，它能促進星系的形成和發展，對星系和星系團的成型產生重要的影響。

茲威基於1974年去世，他始終沒能說服科學界相信他的暗物質理論，也沒有在有生之年裡看到支持這種理論的確鑿證據。

直到他去世4年後的1978年，人們才在精確的測算之後得到了一個確切的、令人信服的結論，這個結論無可辯駁地顯示，宇宙中星系的總質量確實遠遠大於星系中可見星體質量的總和。這成為暗物質理論提出後獲得有力支持的第一個證據。而這以後，更多的觀測也使暗物質理論得到了廣泛的認可。2006年8月，美國亞利桑那大學的天文學家宣布說，他們用「錢德拉」X射線太空望遠鏡觀測到了船底座兩個星系團相互碰撞的景象，並發現了暗物質確實存在的證據。觀測結果顯示，當這兩個星系團發生碰撞時，其中的普通物質由於相互排斥、相互擠壓而出現減速，而暗物質則由於不會產生相互排斥的現象而繼續保持原有的勢態不受影響地彼此穿過。於是，熾熱的普通物質和暗物質被彼此分離開了，速度快而跑在前面的是暗物質，速度慢而跟在後面的是普通物質。通過X射線波段，人們看到了與可見光波段截然不同的景象，而在可見光波段，科學家們也發現了明顯的「引力透鏡」現象，從而確定了暗物質的存在。

扭曲的星系

所謂「引力透鏡」，就是恆星發出的光在途經某個區域時，因被大質量物質吸引而發生的扭曲現象。這種大質量物質甚至可以是一個看不見的暗星系，它能將背景星系的像扭曲放大成一個模糊的光弧，這種弧為天文學家們確定星系團中的質量提供了依據，從而使他們能夠計算出星系團中存在多少暗物質。使用這種方法，科學家們已初步估算出了普通物質、暗物質和暗能量在宇宙中所佔的比率，目前普遍認可的一種看法是，構成宇宙質量的主要部分是暗能量，約佔宇宙總質量的73%，暗物質占宇宙總質量的23%，剩下的4%才是我們看得見的普通物質。

這就是說，每一個星系都有可能隱藏著大量的暗物質，而我們可見的發光部分則很可能被許多暗物質環繞著。依照這種理論，我們的銀河系應該也不會例外。美國加利福尼亞大學的科學家約克·戴曼德使用超級計算機模擬了銀河系的物質分布，他說：「將所有暗物質加在一起，你會得到一個龐大的數據。」戴曼德的工作為澳大利亞新南威爾士大學的科學家肯基·貝基的研究帶來了很大的啟示，這位科學家認為，我們的鄰近伴星系大麥哲倫雲一定也是如此。大麥哲倫雲離我們只有1.86萬光年，乍一看，它的形態似乎不規則，不過仔細地觀察，你會發現在靠近它中心的地方有一個棒狀的結構，那是古老恆星的所在地，這種情況表明大麥哲倫雲曾經是一個「棒旋星系」，可是，為什麼那個「棒」明顯偏離了這個星系的中心位置呢？一種解釋是銀河系的引力逐漸改變了大麥哲倫雲的形狀，然而計算機的模擬顯示，這樣的改變並不足以使它的「棒」發生偏移。貝基認為，「棒」的偏離很有可能是與一片「暗暈」物質發生了碰撞的結果。他發現，只要讓暗物質團塊的質量達到太陽質量的一億倍，或者相當於大麥哲倫雲總質量的百分之一，他就可以在計算機上重現「棒」的偏離，不過偏離的過程並不是「棒」在移動，而是「棒」周圍的恆星發生了移動。貝基說：「這個結果很明確地顯示，孤立的矮星系在與暗物質的相互作用中能發展出一個偏離中心的『棒』。」

事實上，星系扭曲的現象並不罕見，自20世紀五六十年代起，天文學家就發現銀河系的形狀變得越來越不規則，而那時科學家們的解釋是，這種扭曲是由內部恆星的自身活動引發的。然而，最近幾年科學家們又提出新的假設。他們認為，包括大麥哲倫雲在內的銀河系伴星系才是導致銀河系發生扭曲的原因。這些科學家說，儘管伴星系可見物質的質量較小，但它們卻被大量的暗物質環繞著，這樣它們便具有了影響銀河系的強大力量，這些暗物質會不斷地給銀河系的銀盤施加擾動，於是便造成了銀河系形狀的扭曲。

宇宙的新面貌

貝基認為，既然在星系中，暗物質有如此巨大的力量影響星系的形態，那麼「古爾德帶」 在它們的衝擊下形成那種與銀河系之間的傾斜就很有可能了。貝基的模擬實驗結果表明，當暗物質團塊達到了太陽質量的1000萬倍，且穿過一團巨大的分子雲時，它會將那些氣體帶到當年發生碰撞的中心地帶，從而引發大量恆星的形成。當它抵達碰撞地點的另一端，則會導致分子雲的傾斜並且引發它們旋轉。貝基認為，這就是「古爾德帶」形成的原因。

由此看來，暗物質在許多天文學家的心目中是毫無疑問地存在著了。

然而問題是，迄今為止，並沒有人真正捕捉到它們的粒子，因此人們也不能確定它們究竟是由什麼構成的，於是捕捉暗物質粒子便成了科學界的一個重要課題。從目前的情況看，捕捉暗物質粒子儘管有了多種方法，但擺在科學家面前的探索之路卻似乎並不平坦。人們一方面期待直接探測到暗物質在碰撞中產生的信號，事實上，這樣的信號也多次被科學家們探測到，但要證實它們確實來自於暗物質粒子則往往同樣並不容易。另一方面，科學家們也希望在強大的粒子加速器中將暗物質粒子「創造」出來，這類加速器可以將亞原子粒子加速到接近光速，然後讓它們相互碰撞，從而模擬早期宇宙的環境，而這樣的撞擊事實上也已經實現了。科學家們正在期待粒子物理學的嶄新突破。

儘管有關暗物質的謎團還沒有被最終解開，但人類在對暗物質的研究中還是經歷了從假設、印證到搜尋暗物質粒子的艱難探索過程，這個過程促使人類對宇宙的認識發生了重大變化。我們終於驚訝地發現，我們對一個隱藏著的宇宙幾乎是一無所知。有科學家認為，最近的十年是暗物質的十年，是人類認識宇宙的一個重要時期，而不久的將來，隨著科學，尤其是粒子物理學的飛速發展，突破也許即將到來。到那時，宇宙將以完全不同的面貌呈現在我們面前。

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