第10章　星系是怎样成长的

第110夜：一堂关于水滴的课

按照空间站的时钟，第110天是星期六。轨道上的周末并不是完全空闲的，因为有些工作永远不会停下，但工作会轻一些。上午，乘组一起打扫空间站。他们擦拭各处表面，更换空气过滤器，用吸尘器清理那些格栅，流动的空气会把灰尘、碎屑和丢失的小物件带到那里聚集起来。阿德找到了一颗几周前不知谁弄丢的螺丝，托马斯宣布这是当天的最佳发现。

周末也会带来一点属于自己的时间。托马斯花了一个小时陪伴他的音乐，戴着耳机，轻轻地独自演奏。阿德把脚勾在一根扶杆下面，在平板电脑上看书。他们每个人都安排了晚上和家人的私人通话。空间站是一个工作场所，但在星期六，它会在几个小时里变得更像一个家。

下午，努尔有一项她一直期待着的任务。地面请她为学校拍一堂简短的课。孩子们寄来了关于空间站生活的问题，其中有些问题是关于水的。没有东西把水往下拉的时候，水会怎么样？它能倒出来吗？它会溅开吗？它会往下落吗？

努尔在一个安静的角落里架好摄像机，从一个饮水袋里挤出一点水。水没有倒出来。它出来时是一团摇摇晃晃的水块，然后慢慢地把自己收拢成一个近乎完美的球，飘浮在她面前的空中。她用一根吸管轻轻碰了碰它，它浑身颤动了一下，又变圆了。她又加了一滴更小的水，两滴水一碰到，就立刻合成了一个更大的水球。

她对着镜头解释说，水会拉住它自己。在水的表面，水总是在向内拉，有点像一层绷紧的皮。在地球上，引力比这种拉力更强，所以水会摊开成一片水洼，或者往低处流。在空间站上，在失重中，水自身的拉力占了上风，而能用最小的表面装下最多水的形状，就是球形。最后，她小心地用毛巾把水滴接住，因为电器设备附近的散落的水是一种真正的风险。

那天晚上，她给萨米发了一小段视频。他回复说，他七岁的女儿把它看了三遍，现在想当一名宇航员，也可能想当一颗水滴。然后，他问了一个从看了这堂课起就一直在想的问题。如果小水滴会合成大水滴，那么星系也是这样形成的吗？努尔想了想。她写道，从某种意义上说，是的。但是把星系聚到一起的力，不是水面的拉力，而是引力。而且其中一部分来自一种谁也看不见的东西。

从涟漪到一张网

在前一个夜晚，我们看到最早的恒星在黑暗中亮了起来。它们形成于气体团块之中，就在年轻宇宙比平均密度稍高一点的那些地方。今晚的故事讲的是接下来发生的事：那些最初的小团块是怎样成长、合并，并成为今天充满宇宙的星系的，其中也包括我们自己的星系银河系。

故事从我们在最古老的光中看到的那些微小涟漪开始，也就是大约十万分之一的差别。引力把这些小小的差别变成了大的差别。一个稍微致密一点的地方，牵引力就稍微大一点，聚集更多的物质，变得更加致密。经过几亿年、然后是几十亿年，这些涟漪长成了团块，团块又长成了更大的结构。

在自然界所有的力当中，引力之所以能够完成这项工作，是有原因的。在日常生活中，引力非常弱。一块小磁铁就能对抗整个地球的牵引，把一枚回形针吸起来。但引力有一个特殊的性质：它只吸引，从不排斥，而且它会累加。电荷有两种，正电荷和负电荷，在大量的物质中，它们大多会互相抵消。引力从不抵消。在宇宙那巨大的距离和漫长的时间里，它成了塑造一切的力。

当天文学家绘制今天星系所在位置的地图时，他们看到了一种非同寻常的图案。星系并不是均匀地散布着，不像撒在桌上的白糖那样。它们排列成长长的丝线和薄薄的墙，中间隔着巨大的、几乎空无一物的区域。在丝线交汇的地方，有拥挤的星系群和星系团，有些包含着几百个甚至几千个星系。天文学家把这种图案称为宇宙网。

如果你见过沾满晨露的蜘蛛网，或者见过一杯咖啡上气泡挤在一起后的泡沫，你就见过外观相似的东西：细细的边缘和接合处，中间是开阔的空间。当然，宇宙网要大得无法比拟。其中单单一个空旷区域，直径就可能有几亿光年。但道理是一样的。物质沿着线条、在交汇点上聚集起来，而从中间的空间里流走了。

宇宙的计算机模型从最古老的光中测得的涟漪出发，然后跟随引力向前推演几十亿年，得出的网与真实的宇宙网非常相像。这种吻合，是天文学家认为自己理解了宇宙结构如何成长这一大致故事的原因之一。但这些模型只有在加入一种非常重要的成分时才能很好地奏效，而那种成分从来没有人直接看到过。

注意到少了点什么的人们

第一条线索出现在1933年，来自一位名叫弗里茨·兹威基的天文学家。他当时在研究位于后发座的一个大星系团。他测量了星系团里的星系运动得有多快。星系团里的星系在彼此之间运动，靠它们合在一起的引力维系着，就像人们在一间拥挤的屋子里走来走去，却始终不会离开。它们运动得越快，把它们维系在一起所需的引力就越大。

兹威基发现，那些星系运动得实在太快了。如果这个星系团里只含有天文学家能看到的、以发光恒星形式存在的物质，它早就应该飞散了。然而它就在那里。一定有什么东西提供了大量额外的引力。兹威基写到了“暗物质”，也就是不发光、却确实会产生牵引的物质。当时许多天文学家并不信服。那些测量很难做，有可能遗漏了什么。这个想法就这样等待着。

几十年后，在20世纪70年代，天文学家薇拉·鲁宾研究了旋涡星系内部的恒星和气体是怎样运动的。旋涡星系慢慢地转动，就像一只巨大的轮子。你可能会以为它的转动方式和我们的太阳系一样，在太阳系里，离太阳远的行星比离太阳近的行星运动得更慢，因为太阳的引力在远处更弱。一个星系的大部分光来自它明亮的中心，所以天文学家们预期外围的恒星也会运动得很慢。

鲁宾发现的却不是这样。一个星系接一个星系，位于远处边缘的恒星和气体，运动得和靠近中心的一样快。它们运动得那么快，本应该被甩出去，除非这个星系里的物质比能看到的多得多，并且分布在远远超出那些明亮恒星的范围里。鲁宾细心而耐心，她的测量结果令人难以反驳。和其他人的工作一起，这些结果让大多数天文学家相信暗物质是真实存在的。这是一个很好的例子，说明稳定而细致的工作能够改变整个领域的看法。

从那以后，又增加了其他证据。质量会让从它附近经过的光的路径发生弯曲，天文学家能看到一些背景星系的光被它们前方的星系团弯折、扭曲了。弯曲的程度显示出那里有多少质量，而结果又一次远远多于可见的物质。最古老的光中的那些图案，也只有在存在大量暗物质的情况下才能得到解释。今天，天文学家估计，宇宙中暗物质的量大约是普通物质的五倍。

我们知道的和不知道的

那么，暗物质是什么呢？诚实的回答是，没有人知道。我们知道它有引力，因为我们能看到它的牵引。我们知道它不发光，不反射光，也不阻挡光，否则我们就会看到它。我们知道，它似乎不会以任何我们能够察觉到的方式与普通物质发生碰撞。除此之外，它的本质是科学中最大的未解之谜之一。

如果暗物质像许多科学家所认为的那样是由粒子组成的，那么这些粒子很可能并不只是远在其他星系里。它们可能就在我们周围，就在银河系里，悄悄地穿过地球，穿过空间站，在你读书时穿过你的房间，不碰到任何东西。这并不确定，因为我们不知道暗物质是什么。但这是一个奇妙而温和的念头：宇宙中最常见的那种物质，也许此刻正在穿过你的身体，而你永远也不会感觉到。

有些可能性已经基本被排除了。暗物质会不会只是一些难以看见的普通物质，比如冷的气体、尘埃、暗淡的恒星、死亡的恒星或者黑洞？天文学家们搜寻过这样的天体，也确实找到了一些，但远远不够。还有一个更深层的原因。我们在之前一个夜晚讲到的最初几分钟，决定了宇宙中普通物质的总量，而最古老的光证实了这个量。它实在太少了，无法解释所有那些额外的引力。所以，大部分暗物质一定是某种不同于构成恒星、行星和人类的原子的东西。

许多科学家认为，暗物质是一种尚未被发现的粒子。科学家们在各地建造了非常灵敏的探测器，常常放在地下深处，以屏蔽其他粒子，试图捕捉到一个暗物质粒子撞上普通物质的瞬间。另一些人则在粒子加速器里或者在天空中寻找暗物质的迹象。到目前为止，这些搜寻都还没有找到它。这并不意味着它不存在。它意味着，它比人们所希望的更难捕捉，或者与人们所预期的不同。

有少数科学家尝试了另一种想法：也许根本没有额外的物质，而是引力在非常大的距离上的表现与我们的理论所说的不同。这个想法在解释星系如何旋转方面取得了一些成功。但它很难同时解释星系团、光的弯曲和最古老的光的图案，而暗物质能把这些一并解释。目前，大多数天文学家认为暗物质是更好的解释。但这个问题仍然悬而未决，而在证据给出定论之前，它本来就应该是这样。

不管它最终被证明是什么，暗物质在星系的成长中都扮演了关键的角色。在年轻的宇宙中，普通物质被光推来推去，在最古老的光被释放之前，它很难聚成团块。暗物质则完全感觉不到光。所以它能更早地开始聚集成团块。当普通气体终于获得自由时，它就落进了早已在那里等待着的暗物质团块里。如果没有这个先发优势，星系的形成会花上长得多的时间，今天的宇宙也许会看起来非常不同。

合并在一起的星系

最早的星系很小。正如我们在前一个夜晚所看到的，韦布望远镜能看到开端之后几亿年时的星系，它们比银河系小得多。像我们这样的大星系，是怎样从如此小的起点成长起来的呢？一部分是靠从宇宙网中吸入新鲜的气体，一部分是靠彼此合并，就像努尔的水滴一样，只是要慢得多，也远没有那么温和。

当两个星系靠近时，它们的引力会把彼此拉向对方。它们绕着对方旋转，有时在几亿年里绕上好几圈，长长的恒星流和气体流从它们身上被拉出来。最后，它们常常会安定下来，成为一个更大的星系。天文学家已经拍摄了许多对处于这种缓慢相遇不同阶段的星系。每一张照片都像是一部影片中的一帧，而这部影片的放映时间远远超过一个人的一生。

我们自己的星系，就是几十亿年来这样成长的结果。今天，银河系是一个巨大的旋涡星系，直径大约100,000光年，拥有数千亿颗恒星，太阳就是其中的一颗。在空间站上，在一次飞越黑暗区域时，努尔能看到它横跨天空的光带。她看到的，是一个巨大扁平的恒星圆盘的内部景象，是从它里面某个地方侧着看过去的样子。

银河系的成长，部分就是通过这种方式。研究我们星系中恒星运动的天文学家发现了一些以不寻常方式一起运动的恒星群，他们认为这些是银河系很久以前吞并的较小星系的残余。我们星系中一些最古老的恒星形成于130多亿年前，所以银河系几乎在宇宙的整个历史中一直在成长。即使在今天，它也在慢慢地把几个邻近的小星系拉进来。

银河系前方还有一次重大的相遇。在之前的一个夜晚，我们看到，离我们大约250万光年的仙女座星系，是少数几个正在朝我们靠近的星系之一。预计在大约40亿到50亿年后，银河系和仙女座星系会彼此靠得非常近，并且可能在漫长的时间里合并成一个更大的星系。它们确切的路径还在测量之中，所以天文学家们还不能确定合并会在什么时候发生，甚至不能确定它是否会发生。如果它真的发生，那时仍然存在的任何一颗行星的夜空都会变得非常不同，布满新的恒星流和星云。

这听起来也许令人不安，但没有必要担心，原因有两个。第一个是所涉及的时间极其漫长，比人类历史还要长许多倍。第二个是星系大部分都是空旷的空间。恒星之间的距离与恒星本身相比实在太大了，所以当两个星系合并时，恒星几乎从来不会相撞。它们隔着很远的距离擦肩而过，而两个星系的气体云会相遇，并可能孕育出许多新的恒星。

给萨米的消息

睡觉之前，努尔又看了一遍那段水滴的短片，然后把做好的课程发给了地面。她想到了将会在教室里观看它的孩子们，想到了萨米那个想当水滴的女儿。她也想到了宇宙网那些长长的丝线，星系沿着它们聚集起来，就像蜘蛛丝上的一颗颗露珠。

她给萨米写道：“告诉你女儿，星系也会合并在一起，就像那些水滴一样，只是非常非常慢。我们的星系已经吞并了好几个更小的星系。而把星系维系在一起的大部分东西，是一种至今还没有人确认出来的看不见的东西。也许她会是那个弄清楚它是什么的人。”萨米回复说，女儿已经睡着了，但他明天早上会告诉她，而且他敢肯定，她会问“确认”是什么意思。

也许，在你自己一周的末尾，你也会有轻松一点的一天，上午做家务，下午做点自己喜欢的事。在这样的一天里，如果你倒一杯水，或者看着雨水在窗户上聚成水滴，也许会想起宇宙那漫长而缓慢的聚集。小的东西合成大的东西。把它们维系在一起的东西，有一些很容易看见。还有一些，就像许多把人们维系在一起的美好事物一样，是根本看不见的。

常见的误解

许多人以为，暗物质只不过是暗得看不见的普通物质，比如尘埃、暗云或死亡的恒星。天文学家们仔细地寻找过这些东西。它们是存在的，但数量远远不够。宇宙最初的几分钟和最古老的光都表明，普通物质的总量实在太少，无法解释那些额外的引力。所以，大部分暗物质一定是别的什么东西，很可能是一种根本不由原子构成的东西。

许多人还以为，科学家们知道暗物质是什么，只不过给它起了一个神秘的名字。他们并不知道。他们知道它大约有多少、大致在哪里，以及它怎样产生牵引。但尽管经过了多年的仔细搜寻，它是由什么组成的，至今还没有被发现。它名字里的“暗”字，是一种诚实的承认。它的意思是，我们能看到它的效应，却看不到它本身，我们也还不理解它。

最后，许多人想象，当两个星系相撞时，它们的恒星会在巨大的爆炸中彼此撞击。事实上，即使在整个星系合并的时候，恒星也几乎从来不会相撞，因为恒星之间的空间实在太辽阔了。如果太阳只有一粒沙子那么大，那么离它最近的另一颗恒星就是十多公里之外的另一粒沙子。真正的相遇发生在气体云之间，气体云会被挤压，并能形成新的恒星，而这些新的恒星又会造出新的元素。在下一个夜晚，我们会看看恒星的内部，看看它们是怎样造出我们自己身体里的元素的。