第二章 ??暗物質(zhì)是什么

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2.1根據(jù)赫羅圖了解光度學(xué)質(zhì)量

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圖21 我國科技工作者制作或翻譯的赫羅圖，埃納·赫茨普龍和亨利·諾利斯·羅素在1910年代創(chuàng)建的。下面的橫坐標(biāo)是光譜型，上面的橫坐標(biāo)是恒星的表面溫度，比如我們太陽的表面溫度五千到六千開爾文之間。左邊的縱坐標(biāo)是可見光度，也就是恒星單位時(shí)間發(fā)出的總能量。右邊的縱坐標(biāo)是絕對星等，也就是把恒星放在同樣距離的亮度。

我們的太陽處于中間區(qū)域，這是很美妙的狀況，客觀上也基本如此，也有我們有意而為之的成分，比如，可見光度是以太陽為中心參考的。主序列恒星幾乎分布在同一條線上，表面溫度存在巨大差異。總體趨勢就是光度越大，質(zhì)量越大。因?yàn)橘|(zhì)量決定溫度，而溫度決定光度。恒星的光度與恒星的表面積成正比，與恒星的表面溫度的四次方成正比，這體現(xiàn)了恒星的光度與表面溫度呈現(xiàn)著極強(qiáng)的正向關(guān)系。

根據(jù)圖表中各個(gè)恒星所處的位置，可以計(jì)算恒星的體積，還可以大致推測恒星的質(zhì)量。比如，左上角的恒星都是大質(zhì)量恒星，右下角的恒星都是小質(zhì)量恒星。當(dāng)然，恒星之間的質(zhì)量差異遠(yuǎn)沒有光度的差異大。恒星質(zhì)量越大，溫度就越高。

恒星光度與表面溫度的四次方成正比，主序列恒星的光度與質(zhì)量的三點(diǎn)五次方成正比，這顯示恒星質(zhì)量與溫度存在正向關(guān)系。大致是恒星質(zhì)量每增加1倍，其表面溫度提高0.6倍，也就是質(zhì)量增加的幅度比溫度增加的幅度大。在銀河系或其他星系中，主序列恒星數(shù)量大致占據(jù)90%。

在赫羅圖中，對于主序列恒星來說，橫坐標(biāo)還可以代表質(zhì)量，越靠左，質(zhì)量越大。同樣的道理，對于主序列恒星來說，縱坐標(biāo)還可以代表體積，越向上，恒星體積越大。

光度就是恒星單位時(shí)間內(nèi)輻射的能量，主序列恒星的光度與質(zhì)量的三點(diǎn)五次方成正比。恒星質(zhì)量翻番，其發(fā)光能力，即輻射能量的能力提高11倍多。能量即物質(zhì)，這意味著單位質(zhì)量的物質(zhì)損耗速度是之前的5倍多，也就是核聚變耗費(fèi)的氫元素速度比質(zhì)量小一半的恒星大5倍多。這意味著其核聚變壽命會比質(zhì)量小一半的天體少得多，只是其五分之一。恒星質(zhì)量翻番，核聚變壽命遞減到之前的五分之一。這意味著我們現(xiàn)在銀河系中大質(zhì)量恒星早已經(jīng)衰老，依然能核聚變的大質(zhì)量恒星極其罕見了。在銀河系形成初期，或宇宙可以大規(guī)模形成恒星的初期，大質(zhì)量恒星數(shù)量或比例應(yīng)該相當(dāng)可觀，甚至宇宙恒星質(zhì)量主要分布在大質(zhì)量恒星群體中。現(xiàn)在這些曾經(jīng)的大質(zhì)量恒星，早已經(jīng)變成黑洞了，成為恒星團(tuán)的核心天體了。

總之，科學(xué)家們可以根據(jù)恒星的發(fā)光情況，推測恒星的質(zhì)量，這就是我們前面多次提到的光度學(xué)質(zhì)量。主序列恒星可以輕松算出相應(yīng)質(zhì)量，赫羅圖左下角的矮星或右上角的巨星也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算出質(zhì)量?？傊灰吹靡姷奶祗w，都可以估算出質(zhì)量，天體系統(tǒng)所有看得見的天體估算的質(zhì)量加到一起，就是這個(gè)天體系統(tǒng)的光度學(xué)質(zhì)量。

光度學(xué)質(zhì)量毫無疑問是存在缺陷的，一定會遺漏一些天體及其質(zhì)量。究竟能遺漏多少呢？百年前，科學(xué)家認(rèn)為會遺漏較少的，不會太多。后來，根據(jù)引力質(zhì)量，科學(xué)家才認(rèn)識到光度學(xué)質(zhì)量遺漏的太多，太不靠譜，從而促使暗物質(zhì)概念產(chǎn)生。

我們通過赫羅圖可以感覺到，光度學(xué)質(zhì)量只能計(jì)算可以看得到的天體的質(zhì)量。中子星、黑洞這些發(fā)光少或不發(fā)光的大質(zhì)量天體，不能被統(tǒng)計(jì)在光度學(xué)質(zhì)量內(nèi)。中子星、黑洞的數(shù)量有多少，暫時(shí)不好說！這自然會成為光度學(xué)質(zhì)量遺漏的重要部分。實(shí)際上也會遺漏一部分發(fā)光不強(qiáng)的紅矮星，而紅矮星占據(jù)銀河系恒星數(shù)量的70%，距離太陽系最近的比鄰星是紅矮星。也就是說，從赫羅圖上看，光度學(xué)質(zhì)量會遺漏主序列恒星兩端或之外的天體，這也許是宇宙中物質(zhì)的主體部分。

在赫羅圖中，我們不要以為太陽位于中部，而認(rèn)為太陽這樣的天體是宇宙中天體的主體。其實(shí)，比太陽質(zhì)量小的恒星，才是恒星的主體部分。而太陽這樣的恒星，質(zhì)量略偏大一些。那些在赫羅圖中左上角的恒星數(shù)量就更少了，而右下角比太陽質(zhì)量小的恒星才是恒星的主體。也就是說，赫羅圖中的主序列，從左向右，恒星數(shù)量逐漸增加，越往左下角，恒星數(shù)量越多，恒星數(shù)量占比越高。

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2.2天體數(shù)量或質(zhì)量的分布狀況

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我們的太陽是一顆明亮的恒星，其在恒星群體中，質(zhì)量屬于中等偏上。比太陽質(zhì)量大的恒星數(shù)量很多，但比例不大。比太陽質(zhì)量小的恒星數(shù)量很大，比例占多數(shù)。比如，紅矮星數(shù)量占據(jù)銀河系恒星的70%，但由于單個(gè)質(zhì)量小，總質(zhì)量占比可能就不占優(yōu)勢了，但也不算太少。

根據(jù)我們的直覺或感覺，天體數(shù)量的分布規(guī)律是：單個(gè)天體質(zhì)量越大，這種類型的天體數(shù)量就越少，單個(gè)天體的質(zhì)量越小，其數(shù)量就越大。這也好理解，如果質(zhì)量大的天體數(shù)量與質(zhì)量小的天體數(shù)量一樣多，質(zhì)量分布就不均衡了，質(zhì)量大的天體的總質(zhì)量就太多了，這樣不符合我們的感覺了。

我們感覺，天體質(zhì)量越大，形成這種天體的難度就越大，形成這種天體的機(jī)會就越小，自然是這種大質(zhì)量天體的數(shù)量就越少。因?yàn)椋祗w都是從最微小的部分匯集起來的，大質(zhì)量的天體從概率上看，自然是經(jīng)過了更多更復(fù)雜的形成歷程。

天體質(zhì)量越大，數(shù)量越少，這樣的結(jié)論我們似乎應(yīng)該沒有爭議。現(xiàn)在的問題是，天體質(zhì)量越大，其質(zhì)量占比如何？是比例越小，還是同比例，還是比例越大或略大。親愛的讀者，你感覺如何呢？

我們以太陽質(zhì)量為參考，我們以一個(gè)數(shù)量級為區(qū)間，感受一下各個(gè)區(qū)間的天體質(zhì)量比例。比如，以1倍太陽質(zhì)量到10倍太陽質(zhì)量為一個(gè)區(qū)間，0.1倍太陽質(zhì)量到1倍太陽質(zhì)量為另一個(gè)區(qū)間，如此類推，宇宙天體可以分成無數(shù)個(gè)質(zhì)量區(qū)間。

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圖22 科學(xué)藝術(shù)家繪畫的中子星藝術(shù)設(shè)想圖，脈沖星就屬于中子星。由于中子星個(gè)體很小，繼承的角動量讓其自我旋轉(zhuǎn)速度極快，進(jìn)而形成了強(qiáng)大的磁場，產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射。其強(qiáng)大的自身引力避免了自己旋轉(zhuǎn)極快而解體的可能性。

比太陽質(zhì)量大幾倍的恒星，超新星爆發(fā)以后，留下的殘骸質(zhì)量如果大于1.44倍太陽質(zhì)量，小于3.2倍太陽質(zhì)量，就可以形成中子星。甚至其中的一部分中子星，很有可能是夸克星。中子星密度極大，體積不大，自轉(zhuǎn)速度極大，因此，往往可以形成強(qiáng)大的磁場，表現(xiàn)為脈沖星。中子星屬于老年恒星，并且其質(zhì)量范圍較窄，質(zhì)量的跨度不大，因此，中子星占據(jù)天體的比例是較小的，雖然數(shù)量也是很可觀的。而超新星爆發(fā)后，大于3.2倍的太陽質(zhì)量的殘骸，會形成黑洞，32倍太陽質(zhì)量還是黑洞。這意味著黑洞的質(zhì)量區(qū)間分布或質(zhì)量跨度很大，其數(shù)量會明顯比中子星多，其質(zhì)量就更多了。

從0.1倍太陽質(zhì)量到10倍太陽質(zhì)量，這兩個(gè)質(zhì)量區(qū)間，已經(jīng)基本囊括了可見的恒星。比如，質(zhì)量最小的恒星，紅矮星的質(zhì)量下限是8%的太陽質(zhì)量。超過太陽質(zhì)量10倍的可見恒星也是少之又少?？梢娺@兩個(gè)區(qū)間之外的可見恒星比例已經(jīng)極低了，數(shù)量不大。

10倍太陽質(zhì)量到100倍太陽質(zhì)量這個(gè)區(qū)間，有多少天體呢？至少可見天體不多了，幾乎都是黑洞這樣的不可見天體。其數(shù)量自然是明顯不如，1倍到10倍太陽質(zhì)量這個(gè)區(qū)間的天體數(shù)量。其質(zhì)量會如何呢？假設(shè)其數(shù)量只是1倍到10倍太陽質(zhì)量天體數(shù)量的十分之一，這個(gè)區(qū)間的質(zhì)量也是不亞于1到10倍太陽質(zhì)量這個(gè)區(qū)間的。估計(jì)，這個(gè)區(qū)間的天體數(shù)量不應(yīng)該會有這么多。問題是，憑什么這個(gè)區(qū)間的天體數(shù)量應(yīng)該更少呢？有什么道理嗎？有什么明顯邏輯嗎？還是我們感覺應(yīng)該如此！

那么，100倍太陽質(zhì)量到1000倍太陽質(zhì)量的天體數(shù)量又如何呢？這些隱藏的黑洞數(shù)量定然會不到10倍至100倍的黑洞數(shù)量的十分之一，百分之一有嗎？也許真的會有百分之一吧！如果真的有這么多，其總質(zhì)量就相當(dāng)于10倍至100倍太陽質(zhì)量區(qū)間的天體總質(zhì)量的十分之一了。這已經(jīng)是相當(dāng)可觀的比例了。

一千倍到一萬倍太陽質(zhì)量的天體，這樣的黑洞有多少呢？能有上一個(gè)區(qū)間數(shù)量的百分之一嗎？還是千分之一？一萬倍到十萬倍太陽質(zhì)量的黑洞數(shù)量又如何？是上一個(gè)區(qū)間的千分之一還是萬分之一。以此類推，我們感覺如何？

十萬倍到百萬倍的太陽質(zhì)量，百萬倍到千萬倍的太陽質(zhì)量，又是兩個(gè)區(qū)間。我們知道，我們銀河系中心的黑洞質(zhì)量是太陽質(zhì)量的400萬倍，在百萬倍到千萬倍的太陽質(zhì)量范圍內(nèi)。其他星系的中心黑洞有幾億倍或幾十億倍太陽質(zhì)量。不知道還有更大質(zhì)量的天體了嗎？

按照一個(gè)數(shù)量級為一個(gè)質(zhì)量區(qū)間，數(shù)學(xué)理論上，可以劃分為無數(shù)個(gè)區(qū)間。實(shí)際上，應(yīng)該不會這么多的，應(yīng)該是有限的。比較粗糙的估計(jì)，1倍太陽質(zhì)量到10倍太陽質(zhì)量這個(gè)質(zhì)量區(qū)間的天體總質(zhì)量大致會與0.1倍太陽質(zhì)量到1倍太陽質(zhì)量這個(gè)質(zhì)量區(qū)間的天體總質(zhì)量相仿。而10倍太陽質(zhì)量至100倍太陽質(zhì)量這個(gè)區(qū)間天體的總質(zhì)量也是很可觀的，也許會相當(dāng)于1倍太陽質(zhì)量到10倍太陽質(zhì)量這個(gè)區(qū)間天體總質(zhì)量的一半。百倍太陽質(zhì)量到千倍太陽質(zhì)量這個(gè)區(qū)間天體的總質(zhì)量相當(dāng)于上一個(gè)區(qū)間的二分之一。千倍到萬倍太陽質(zhì)量也許是上一個(gè)區(qū)間的二分之一，以此類推，估計(jì)，10倍太陽質(zhì)量以上的所有天體的總質(zhì)量會相當(dāng)于1倍到10倍太陽質(zhì)量天體的總質(zhì)量，也就是基本相當(dāng)于可見天體質(zhì)量的一半。這是暗物質(zhì)的重要構(gòu)成部分，大致占據(jù)暗物質(zhì)的十分之一。

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2.3中小天體應(yīng)該是暗物質(zhì)的主體部分

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1995年美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了褐矮星，這是質(zhì)量介于最小恒星與最大行星之間的天體，質(zhì)量沒達(dá)到0.08倍太陽質(zhì)量，不足以在核心點(diǎn)燃核聚變反應(yīng)的氣態(tài)天體。表面溫度不超過3000K，質(zhì)量最小的T型褐矮星（溫度為800-1200K）的輻射則主要集中在近紅外波段（1-2μm），因此，褐矮星本身輻射很弱。褐矮星外層大氣中的分子，例如水、一氧化碳、甲烷和氨，會吸收向外的輻射，使得褐矮星進(jìn)一步變暗。這些因素使得尋找褐矮星成為了天文觀測的一大挑戰(zhàn)。

2013年3月份，魯曼對WISE望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的分析還發(fā)現(xiàn)了另外兩顆溫度高得多的褐矮星，距離地球約6.5光年，從而使它們成為距離太陽第三近的天體系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)顯示，褐矮星的發(fā)現(xiàn)是如此困難，我們暫時(shí)只能發(fā)現(xiàn)距離我們較近的褐矮星。并且，在距離我們較近的區(qū)域，我們并沒有把褐矮星全部發(fā)現(xiàn)。

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圖23 ?2006年NASA制作的SIMP0136的藝術(shù)概念圖，蒙特利爾大學(xué)的天文學(xué)家étienne Artigau博士等人發(fā)現(xiàn)了它。SIMP0136質(zhì)量大約是13倍的木星質(zhì)量，這個(gè)質(zhì)量剛好是國際天文聯(lián)合會所決定的褐矮星的最低質(zhì)量。它是一個(gè)年紀(jì)約為2億年的恒星群（group of stars）的行星成員，這個(gè)恒星群被稱為近船底座（Carina-Near）。

褐矮星質(zhì)量基本處于0.01到0.1倍太陽質(zhì)量的區(qū)間內(nèi)，這個(gè)數(shù)量級區(qū)間，天體數(shù)目應(yīng)該是巨大的。其天體數(shù)量遠(yuǎn)多于0.1到1倍太陽質(zhì)量區(qū)間的天體數(shù)量，總質(zhì)量估計(jì)不亞于0.1到1倍太陽質(zhì)量區(qū)間的天體總質(zhì)量。因此，隨著韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行，估計(jì)會極大地發(fā)掘褐矮星數(shù)量。所以，紅外線望遠(yuǎn)鏡大有可為，這是一片廣闊的天地，我國也應(yīng)該行動了。

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圖24 為方便視覺對比，科技工作者把三種天體圖像匯集到同一幅圖中。隸屬紅矮星范疇的小型恒星（左）、褐矮星（中）、類似木星這樣的氣體巨星（右）對比圖。宇宙中的天體質(zhì)量分布是相當(dāng)連續(xù)的，每個(gè)質(zhì)量區(qū)間都有大量天體分布。

0.01到0.001倍太陽質(zhì)量區(qū)間的超巨行星天體數(shù)量也會尤為壯觀，由于這些天體的表面溫度太低，幾乎沒有什么輻射，韋伯望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行后，估計(jì)會發(fā)現(xiàn)大量的隸屬于恒星系統(tǒng)的超巨行星。那些流浪的超巨行星估計(jì)很難被發(fā)現(xiàn)，有待新的技術(shù)前進(jìn)。而這個(gè)質(zhì)量區(qū)間的天體，應(yīng)該是以流浪的超巨行星為主。其數(shù)量會比褐矮星多，物質(zhì)總量可能會接近褐矮星。木星屬于這類行星的最低層次了。

0.001到0.0001倍太陽質(zhì)量的天體基本屬于巨行星，相當(dāng)一部分屬于恒星系的一部分。但更多的巨行星是流浪的，不屬于任何恒星系統(tǒng)，像恒星那樣與周圍天體構(gòu)成星團(tuán)，共同環(huán)繞星系中心。甚至相當(dāng)一部分巨行星在星系之間流浪，成為星系外圍天體的一部分或獨(dú)立于星系。其數(shù)量更為巨大，質(zhì)量應(yīng)該也不會太少。

萬分之一到十萬分之一太陽質(zhì)量的行星，數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于可見恒星數(shù)量。除一部分隸屬于恒星系之外，更多地屬于流浪行星。除了我們感覺或推測有這么多流浪行星外，估計(jì)，我們永遠(yuǎn)也發(fā)現(xiàn)不了。因?yàn)檫@些流浪行星體積相對太小，自身光線太暗。估計(jì)，在我們太陽系的奧爾特云區(qū)域，會有這樣個(gè)頭的行星。這么近的行星，我們也許會發(fā)現(xiàn)的了。

再小一個(gè)數(shù)量級，就包括我們地球級別的行星了。除了大量分布在恒星系內(nèi)，更多的是流浪行星。我相信，在奧爾特云區(qū)域，類地球行星還是有的。

下一個(gè)數(shù)量級，就包括月球這樣的衛(wèi)星了。在奧爾特云區(qū)域或柯伊伯帶，這樣的天體數(shù)量很多。流浪的這樣的天體應(yīng)該也是比比皆是。

不再一一細(xì)說了，也就是低于太陽質(zhì)量的數(shù)量級區(qū)間內(nèi)的天體數(shù)量是逐漸增多的?？傎|(zhì)量是不是會增多，這個(gè)可能性不大，但是，不會減少太多。估計(jì)這個(gè)區(qū)域的區(qū)間的天體總質(zhì)量，向下一個(gè)數(shù)量級區(qū)間具有遞減趨勢，但不會太明顯。但如果遞減不太明顯的話，也是一個(gè)問題。這會導(dǎo)致這個(gè)區(qū)域分布的質(zhì)量太多，超過暗物質(zhì)的總量了，這就不好了。這個(gè)區(qū)域是暗物質(zhì)的主體部分，估計(jì)占了暗物質(zhì)的90%。因此，這個(gè)區(qū)域的天體質(zhì)量應(yīng)該是遞減的，按照某個(gè)合理的水平遞減。也就是說，0.1倍到10倍太陽質(zhì)量這兩個(gè)區(qū)間所擁有的天體質(zhì)量是我們假設(shè)最多的，然后向兩邊的質(zhì)量區(qū)間遞減。質(zhì)量大的區(qū)間的天體質(zhì)量遞減速度大，質(zhì)量小的區(qū)間的天體質(zhì)量遞減速度慢。

不過，0.1倍到10倍太陽質(zhì)量這兩個(gè)區(qū)間所擁有的天體質(zhì)量最多的想法，僅僅是一種假設(shè)，似乎沒有什么邏輯或道理顯示應(yīng)該是如此的。按照對暗物質(zhì)的填充設(shè)想，0.1倍太陽質(zhì)量以下的眾多質(zhì)量區(qū)間的天體質(zhì)量總量會是很大的，可以有效填補(bǔ)暗物質(zhì)的空缺。這是本篇文章的邏輯思路。

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2.4引力波現(xiàn)象與所代表的質(zhì)量或能量

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圖25 ?LIGO發(fā)布的漢福德站（Hanford）引力波探測器全景圖

這個(gè)引力波探測器LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) 是臂長為4千米的超級邁克爾遜干涉儀，較長的臂長是為了充分放大引力波效應(yīng)。在引力波的強(qiáng)度一定時(shí)，引力波的影響效果與臂長成正比。因此，如果技術(shù)上可行，可以建設(shè)更長臂長的地面探測器。我國可以如法炮制，建設(shè)臂更長的引力波探測器。

萬有引力與引力波的效果是一樣的，都會影響時(shí)空，比如，可以讓空間收縮或膨脹。影響時(shí)空的程度自然與引力或引力波強(qiáng)度成正比。引力波經(jīng)過激光干涉儀的臂時(shí)，臂的時(shí)空長度發(fā)生改變，引起里面的兩束激光產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，進(jìn)而通過干涉條紋感受引力波的存在。

實(shí)際上，來到地球的引力波已經(jīng)很弱了，所激起的時(shí)空改變幅度也很弱，其帶來的臂長改變幅度極小。這導(dǎo)致我們地球的其他現(xiàn)象，比如地震波動現(xiàn)象，對臂長的影響甚至?xí)黠@一些。也就是有諸多因素對臂長的影響都會比引力波的影響大?？梢?，單獨(dú)一個(gè)這樣的探測器根本分辨不出哪個(gè)影響是引力波的影響！怎么辦，那就用相同的兩個(gè)探測器，并且安置在相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)地方。然后從大量的激光干涉條紋中，找出時(shí)間上相同，條紋波動相同的干涉事件。這個(gè)過程是麻煩而細(xì)致的，這深刻體現(xiàn)了人類的執(zhí)著與細(xì)心。

如果是三個(gè)相距遙遠(yuǎn)的探測器效果會更好，更準(zhǔn)確，比如，可以更準(zhǔn)確地知道引力波的來源方向。四個(gè)相距遙遠(yuǎn)，位置合理的探測器就可以構(gòu)成一個(gè)立體結(jié)構(gòu)了，探測器可以分布在四個(gè)三角形平面中，這樣可以無死角地探測所有引力波，可以知道所有探測到的引力波的來向。比如，中國放一個(gè)，美國放一個(gè)，歐洲放一個(gè)，澳大利亞放一個(gè)，讓探測器構(gòu)成一個(gè)四面體的角。

2016年6月16日，LIGO科學(xué)合作組織和Virgo合作團(tuán)隊(duì)宣布：2015年12月26日，位于美國漢福德區(qū)和路易斯安那州的利文斯頓的兩臺引力波探測器同時(shí)探測到了一個(gè)引力波信號；這是繼 LIGO 2015年9月14日（2016年2月11日發(fā)布）探測到首個(gè)引力波信號（雙黑洞合并的引力波信號）之后，人類探測到的第二個(gè)引力波信號。這兩次觀測到引力波事件與發(fā)布時(shí)間都相差近六個(gè)月時(shí)間，可見，引力波探測工作的繁瑣與細(xì)致。

2017年10月16日，多國科學(xué)家同步舉行新聞發(fā)布會，宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，并同時(shí)“看到”這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號。

引力波探測器已經(jīng)成為天文觀測的新工具，天文望遠(yuǎn)鏡看到的，引力波探測器可以看到，天文望遠(yuǎn)鏡看不到的，引力波探測器還可以看到?？梢?，引力波探測器發(fā)展前景尤為廣闊，是人類認(rèn)識宇宙的新手段。

圖26 ?LIGO/MIT/Caltech發(fā)布的兩個(gè)正在合并的黑洞產(chǎn)生的引力波藝術(shù)想象圖

距離我們太陽系13億光年，36倍太陽質(zhì)量的黑洞與29倍太陽質(zhì)量的黑洞合并，形成了一個(gè)62倍太陽質(zhì)量的黑洞。相當(dāng)于三倍太陽質(zhì)量的物質(zhì)或能量以引力波的形式流失宇宙空間。

可以觀測到0.4秒的黑洞合并時(shí)間，這是兩個(gè)黑洞合并前，引力波最強(qiáng)的階段，也是頻率最高的階段。在0.4秒之前，兩個(gè)黑洞相互環(huán)繞，依然會發(fā)出強(qiáng)大的引力波，只是距離我們地球遙遠(yuǎn)，到我們地球的時(shí)候，就很微弱了。因此，引力波的強(qiáng)度與距離有關(guān)，與距離的平方成反比。如果我們太陽系距離這個(gè)黑洞不是13億光年，而是1.3億光年，其發(fā)出的引力波來到地球的強(qiáng)度就會提高100倍，0.4秒之前的引力波，就可以觀測到了，觀測到的引力波時(shí)間會較長。也就是說，引力波輻射是很常見的現(xiàn)象，只是不容易被觀測到而已。

黑洞與黑洞相互環(huán)繞會產(chǎn)生引力波，中子星相互環(huán)繞也會產(chǎn)生引力波，實(shí)際上任意天體相互環(huán)繞都會產(chǎn)生引力波。只是相互環(huán)繞的天體質(zhì)量不太大或天體之間環(huán)繞速度較慢而產(chǎn)生的引力波較弱而已。

除了相互環(huán)繞的天體可以產(chǎn)生引力波之外，超新星的大爆發(fā)，這種大質(zhì)量物質(zhì)體系的高速運(yùn)動現(xiàn)象也會產(chǎn)生明顯的引力波。也就是說，物質(zhì)加速或減速度運(yùn)動都會向周圍空間輻射引力波。比如我們開車或步行，也會向周圍空間發(fā)射引力波，只是引力波太微弱，就是距離如此近，也測量不出來，不過，從理論上是可以得出這樣的結(jié)論的。也就是說，引力波無處不在，以光速輻射的引力波自然會是交錯(cuò)彌漫于整個(gè)宇宙中，其物質(zhì)或能量總量也會相當(dāng)可觀，這理所應(yīng)當(dāng)?shù)臅蔀榘滴镔|(zhì)的一部分，也許會是一小部分。

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2.5光輻射或中微子總量也是很大的

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我們在學(xué)習(xí)高中地理時(shí)，對太陽的描述內(nèi)容，有一句是太陽每秒鐘向外輻射相當(dāng)于400萬噸的質(zhì)量的對應(yīng)的能量，我們地球可以得到20億分之一的陽光，這就足夠我們享受溫暖而明亮的生活了。

陽光不僅帶來光明，還是能量的載體，能量對應(yīng)著質(zhì)量，愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mcc顯示著二者的換算關(guān)系。恒星內(nèi)部在高溫高壓的條件下，可以發(fā)生核聚變反應(yīng)，氫彈的爆炸原理來源于此。太陽這樣的恒星一生的發(fā)光歷程中，超過千分之一的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成了電磁波。質(zhì)量更大的恒星轉(zhuǎn)變成電磁波的比例再高一些，質(zhì)量偏小的恒星轉(zhuǎn)變成電磁波的比例會偏低些?？傮w上看，可見物質(zhì)的千分之一轉(zhuǎn)變成電磁波是可能的。

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圖27 ?NASA太陽動力天文臺探測器拍攝的太陽，明亮區(qū)域?qū)儆谝?，光線暗淡部分屬于黑子。

絕大部分的電磁波會以光速流浪于廣袤的宇宙中，只有一小部分電磁波會被路途上的物質(zhì)吸收。這些流浪的電磁波雖然以能量模式存在于宇宙中，但其依然會產(chǎn)生引力效應(yīng)。也就是說，能量也可以體現(xiàn)出引力物質(zhì)效應(yīng)。能量與物質(zhì)都會存在引力效應(yīng)，都共同對應(yīng)著引力物質(zhì)質(zhì)量。

在銀河系內(nèi)，恒星際彌漫的電磁波會產(chǎn)生相應(yīng)的引力效應(yīng)，這自然會加大天體的環(huán)繞速度。同理，在星系團(tuán)內(nèi)部，星系之間彌漫的電磁波也會產(chǎn)生引力效應(yīng)。這些電磁波自然構(gòu)成了暗物質(zhì)的一部分。

核聚變過程中，除了產(chǎn)生電磁波之外，有時(shí)還會產(chǎn)生一種比較中性的微粒，這種粒子的反物質(zhì)是其自身，這就比較特殊了。這種粒子不容易與其他物質(zhì)發(fā)生關(guān)系，比如不容易碰撞或吸收，像光子就容易碰撞或吸收了，這就是中微子。

中微子數(shù)量極為可觀，以接近光速運(yùn)動，可以穿越地球而不被吸收，光子（電磁波）可沒有這個(gè)能力的?？梢姡形⒆赢a(chǎn)生后，相對電磁波會以更大概率的流浪于宇宙中。不好估測其總量，部分科學(xué)家認(rèn)為其彌漫于宇宙中的總質(zhì)量可能會比電磁波還要多。

中微子形態(tài)上應(yīng)該屬于物質(zhì)形態(tài)，不屬于能量形態(tài)。不管屬于哪種形態(tài)，都有引力質(zhì)量效應(yīng)，都參與引力作用。彌漫于恒星際的中微子自然是加大星系內(nèi)部天體環(huán)繞速度的原因之一。彌漫于星系之間的中微子是加大星系之間運(yùn)動速度的原因之一。

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2.6通過恒星生命歷程來感受不可見物質(zhì)的總量

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初始宇宙物質(zhì)均勻擴(kuò)散，質(zhì)量密度的概率漲落現(xiàn)象，產(chǎn)生物質(zhì)在萬有引力作用下的集中現(xiàn)象。引力作用帶來的物質(zhì)匯集是漫長的過程，其中的一部分物質(zhì)匯集到一起，形成大大小小的天體。也就是說，相當(dāng)一部分物質(zhì)沒有匯集到一起，或依然處于分散狀態(tài)。這部分物質(zhì)究竟占多大比例，不好說。

匯集一起而形成的天體，大大小小，天體質(zhì)量達(dá)到一定門檻以后，才能發(fā)光發(fā)熱，算是恒星。而相當(dāng)一部分天體的質(zhì)量是達(dá)不到發(fā)光發(fā)熱級別的，這一部分不發(fā)光的天體的總質(zhì)量究竟有多大，也不好說。

可以發(fā)光的天體，其光度隨著質(zhì)量增大而迅猛增大。從發(fā)光門檻質(zhì)量增大兩個(gè)數(shù)量級后，大約10倍于太陽質(zhì)量的恒星，光度就很強(qiáng)了，發(fā)光的壽命急劇縮短。發(fā)光壽命下降到幾百萬年或幾千萬年，這對于已經(jīng)存在138億年的宇宙來說，確實(shí)太短暫了，這意味著這種大質(zhì)量恒星絕大部分早就過了發(fā)光期了，成為暗淡的天體。

大質(zhì)量恒星發(fā)光歷程短暫，發(fā)光壽命終結(jié)以后，恒星通過爆炸可以將其大部分甚至幾乎所有物質(zhì)以高至十分之一光速的速度向外擴(kuò)散，最終形成星云。一個(gè)大型天體，變成了無數(shù)的微小天體，并暗淡下來。其留下的殘骸（白矮星、中子星或黑洞）也是暗淡的。也就是說，大質(zhì)量天體發(fā)光歷程短暫，絕大部分時(shí)間以黑暗狀態(tài)或暗淡狀態(tài)存在于宇宙中。曾經(jīng)的大質(zhì)量天體，只有極少一部分還處于發(fā)光狀態(tài)，絕大部分大質(zhì)量天體已經(jīng)走過發(fā)光歷程，處于解體后（超新星爆發(fā)）的黯淡狀態(tài)。這些大質(zhì)量天體的殘骸及其解體后形成的星云，自然是不可見物質(zhì)的重要組成部分。

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圖28 哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)布的類日恒星產(chǎn)生的行星狀星云，即星云像行星那樣環(huán)繞中心恒星內(nèi)核。這是由于類日恒星晚期的膨脹速度并沒有那么夸張，并且主要物質(zhì)內(nèi)核留了下來，有足夠的引力束縛這些膨脹的物質(zhì)。星云中央是裸露的恒星內(nèi)核，正在變成白矮星。

類似太陽的恒星，雖然擁有漫長的發(fā)光歷程，但是也會有膨脹而逐漸衰竭的那一天。最終也是留下一個(gè)逐漸暗淡的中心殘骸，以及形成體積較小的暗淡的星云。其生命歷程也是歸于暗淡。可見，已經(jīng)成為暗淡天體的恒星殘骸，自然也是不可見物質(zhì)的組成部分。

不可見物質(zhì)的最大組成部分應(yīng)該是比太陽質(zhì)量小得多的天體，這些天體數(shù)量巨大，由于天體的發(fā)光質(zhì)量門檻因素，從沒有發(fā)光發(fā)熱或較少發(fā)光發(fā)熱。

我們從以上的敘述中可以感覺到，宇宙物質(zhì)構(gòu)成中，確實(shí)應(yīng)該是以不可見物質(zhì)為主，可見物質(zhì)占比確實(shí)應(yīng)該不大。因?yàn)榭梢娢镔|(zhì)的分布區(qū)間太窄了，如此窄的分布區(qū)間，不可能占據(jù)物質(zhì)主流。沒有理由認(rèn)為，宇宙物質(zhì)應(yīng)該大部分形成太陽這類恒星，雖然這類恒星是發(fā)光的主體。如果以前有這樣的認(rèn)識，那么這是想當(dāng)然的，沒有根據(jù)。

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小結(jié)：宇宙中的天體質(zhì)量跨度是巨大的，但是質(zhì)量分布是相當(dāng)連續(xù)的。從微小顆粒到質(zhì)量為太陽幾十億倍的黑洞，大小天體的過渡是一個(gè)連續(xù)體系。天體數(shù)量與天體的個(gè)體質(zhì)量成明顯的反向關(guān)系，單個(gè)天體質(zhì)量越小，其類似天體的數(shù)量就越大。