rytsli 2011-12-6 00:21
銀河系的黑暗面
謎般的暗物質，其實是揭露銀河系真面目的關鍵。暗物質是我們這個年代最大的科學謎團之一，不過一旦接受了它們的存在，宇宙裡許多其他的謎團，答案也就一一浮現了。
重點提要
■暗物質是我們這個年代最大的科學謎團之一，不過一旦接受了它們的存在，宇宙裡許多其他的謎團，答案也就一一浮現了。
■不論此不明物質是什麼，它似乎能夠解釋銀河系的外緣為何如此明顯地扭曲變形。環繞著銀河系的衛星星系自然能夠彎折星系盤，但若欠缺暗物質提供的放大機制，它們的重力效應仍太微弱。
■暗物質可解答的另一個問題是，為何銀河系的衛星星系數量比理論模型的預測少很多？事實上，衛星星系可能就存在於某些地方，只不過幾乎全由暗物質所構成，因此很難偵測到。
雖然天文學家花了很長的時間，才了解暗物質在宇宙裡的重要性，但我卻是瞬間頓悟的。1978年，我在美國加州大學柏克萊分校擔任博士後研究員時的第一個計畫裡，我測量了我們銀河系盤較外側區域裡正在形成恆星的巨型分子雲之旋轉速度。我用當時最精確的方法來測量，並坐在天文系的交誼廳裡用手在繪圖紙上將結果畫出來。兩位銀河系的專家徐遐生和金恩（Ivan King）恰巧在旁邊，看著我填上最外側星雲的速度。當我們看到最後的圖案時，立刻清楚意識到銀河系原來處處充斥著暗物質，特別是在最外緣的部份。我們毫無頭緒地坐下，思考著暗物質的本質是什麼，並很快發現所有我們能想出的主意都是錯的。
1970與1980年代，包括上述研究在內的許多研究結果迫使天文學家不得不承認暗物質（一種既不發射也不吸收光，僅能透過重力效應來確認其存在的神秘物質）不但存在，並且是構成宇宙的最重要物質。威金森微波異向性探測器（WMAP）所做的測量，證實了暗物質的總質量是一般物質（質子、中子、電子等）的五倍；但其本質為何，卻仍然難以捉摸。這顯現出我們對於未經證實的物質理論所做的最保守假設，是多麼地無知——那些理論推測暗物質是由一種仍未被粒子加速器所偵測到的奇特粒子所構成。最不可思議的假說甚至認為，牛頓的重力定律與愛因斯坦的廣義相對論錯了，最起碼需要一些令人不怎麼舒服的修改。
無論暗物質本質為何，對於銀河系如何擁有某些特定性質的古老謎團，暗物質提供了解答的關鍵。例如，天文學家50多年前就已經知道銀河系的外緣部份，就像被遺忘在暖爐上烘烤的黑膠唱片般扭曲變形。除非考慮暗物質的效應，否則他們無法解釋這種變形。還有，依據暗物質的假想性質所做的電腦模擬預測，應該有成千上百個衛星星系正環繞著銀河系運動才對，但天文學家只觀測到20幾個衛星星系，人們不禁懷疑暗物質的性質是否和想像中不同。但近年來，有些天文團隊發現了許多矮星系，縮減了這項數量上的差異。這些最近找到的衛星星系不僅幫忙解決了長久以來關於星系結構的謎，或許也能提供一些關於宇宙物質總量的知識。
扭曲的銀河系
暗物質究竟告訴我們關於銀河系的哪些資訊？要回答這個問題，我們得先大概了解一下星系的組成。恆星與氣體等一般物質，駐留在四個主要結構裡：薄薄的星系盤（包括風車狀的螺旋圖案與太陽所在的位置）、緻密的星系核（這裡藏著一個超大質量黑洞）、稱為星系棒的狹長凸出部份，以及包覆著星系其他古老恆星和星團的球狀「暈」。暗物質的分佈則全然不同，雖然我們無法看見它，但可藉由恆星與氣體的旋轉速度推測其存在；它對可見物質的重力效應顯示它約呈球狀分佈，並延伸遠超過星暈的範圍，密度則在中心處最高，然後大約隨著距離的平方向外遞減。這種分佈形態是天文學家稱為「階式合併」的自然結果：此論點認為小星系在早期宇宙中合併增長，建構出包括銀河系在內的較大星系。
多年來，天文學家對於暗物質的基本認識，始終停留在這個由未知物質構成、找不到明顯特徵的巨球。但在過去數年裡，我們已成功蒐集了更詳盡的資訊，證實暗物質比我們想像中更有趣──有許多證據顯示，暗物質並非均勻分佈，反而擁有一些巨大的團塊結構。
這項不均勻的特性剛好能夠解釋星系扭曲的發生與程度。當天文學家說星系被扭曲了，主要指的是星系盤外緣區域的彎曲變形。星系盤距離中心超過五萬光年的地方，幾乎全是氫原子氣體，只有很少量的恆星。依據無線電波望遠鏡的觀察，這些氣體並非橫躺在星系平面上；越向外側，氣體的分佈就越偏離星系平面。大概到了7萬5000光年的地方，星系盤就自星系平面處偏折了約7500光年。
顯然當盤內氣體繞著中心轉的時候，會上下振盪進出平面。這個振盪的週期超過億萬年，而我們就在該循環的某一瞬間捕捉到它的身影。基本上，氣盤的作用就如同某種巨大的鑼，以慢動作緩緩地晃盪。就像鑼一樣，它能以多重頻率振盪，每個頻率對應到特定的曲面形狀。2005年，我們證實了觀測到的扭曲變形是三種頻率加成的結果，最低的頻率比中央C還低了64個八度音程。此外，其整體效應是不對稱的：星系某一側的氣體比另一側的更遠離星系平面。
1950年代首度發現這扭曲變形現象的電波天文學家認為，那是受到了環繞銀河系最重的兩個星系──大、小麥哲倫雲的重力影響所致。因為這兩個衛星星系的軌道不在銀河系平面上，它們的重力會扭曲星系盤。不過，詳細的計算顯示，由於麥哲倫雲比銀河系小太多，重力太過微弱，因此數十年來，銀河系明顯扭曲變形的原因仍然是個無解的問題。