暗物質之網
電腦模擬顯示，暗物質之網緊抓著宇宙裡的各個星系，使得銀河系裡的矮星系全都落在一個奇特的平面上，但暗物質是否真的存在呢？
撰文／萊貝斯凱德（Noam I. Libeskind）
翻譯／李沃龍
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重點提要
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大多數星系就像銀河系一樣，有著數十個衛星星系繞著它們運行。這些衛星星系都極其暗淡──只有那些繞行著銀河系以及我們附近的仙女座星系、距離最近且最亮的星系才能被觀測到。但這些矮星系並非雜亂無章地恣意繞行，它們全都位於一個側向的平面上。
這種排列方式著實出人意表。模擬星系演化的電腦模型早已顯示，天空中任一方向上的矮星系數量應大致相當。長期以來，天文學家一向認為，這種球狀分佈是暗物質所導致的結果。暗物質是一種只透過重力與普通物質作用的神秘物質，天文學家認為，宇宙裡瀰漫著暗物質，並在星系形成及宇宙膨脹的過程中扮演了關鍵角色。
由於矮星系的排列之謎實在令人傷透腦筋，包括克羅帕在內的一些天文學家開始質疑，暗物質是否確實存在。他打斷了我的演講，並說：「暗物質的說法是錯誤的，根據電腦模擬顯示，衛星星系會呈球狀分佈於銀河系周圍，但這明顯牴觸我們觀測到的現象。」
我提出另一種觀點，則嘗試以遠比銀河系巨大的宇宙暗物質結構，來解釋這些衛星星系的特殊排列。雖然無法說服一些如克羅帕般的懷疑者，但包括我在內的天文學家所做的新近研究均顯示，龐大的暗物質之網足以說明這些衛星星系在天空中獨特的排列方式。
行蹤不明的物質
位居這場辯論中心的暗物質，便是天文學家為了試圖解釋其他令人困惑的星系特性而提出的。1930年代，天文學家茲威基（Franz Zwicky）想測量后髮座星系團的質量，那是個由大約1000多個星系構成的巨大星系團。他首先測量了這個星系團裡每個星系的速度。他驚訝地發現，那些星系具有每秒數千公里的速度，快得足以撕裂這個星系團。那為何這個星系團沒有被撕裂呢？茲威基推斷，這個星系團必定充滿了一些看不見的物質，利用重力緊抓住那些星系。這種行蹤不明的物質，隨後命名為「暗物質」。
自80多年前茲威基首次提出這個說法後，暗物質的訊號便突然出現在宇宙的每個角落裡，幾乎每個星系中都可觀察到。在我們銀河系裡，天文學家從觀察星系外緣的恆星運動中，也推論出暗物質的存在。就像在后髮座星系團裡的星系一樣，這些恆星的速度太快，我們能觀測到的所有物質根本不可能抓得住它們。銀河系周圍的10多個矮星系，似乎擁有更高比例的暗物質。
大量的暗物質暗示著，它應該在宇宙的演化過程中扮演重要的角色。使用電腦模擬是研究這個演化的方法之一，從1970年代開始，宇宙學領域的研究人員便嘗試利用電腦程式模擬宇宙的歷史。這項技術是：先在電腦裡設定一個假想的方盒；把虛擬的粒子（每個點代表一個暗物質團塊）擺進方盒中幾近完美的格子裡；然後計算每個粒子受到盒中所有其他粒子的重力，再根據每個粒子「感受到」的合力移動它們，並反覆進行上述長達130億年的過程。
如今，這些步驟雖進展得比1970年代複雜許多，但仍然使用這項基本技術。40年前，電腦模型一次只能處理幾百個粒子。現在，最先進的電腦模型可在一個相當於可觀測宇宙大小的體積裡，成功運算數十億個粒子。
以電腦模擬宇宙已成為研究個別星系的有效方法，但它也產生了一些明顯的問題。例如，電腦模擬顯示，那些繞行在銀河系周圍、瀰漫著暗物質而稱為暈的結構，應該會把氣體與塵埃拉進個別的團塊。這些團塊會因重力而塌縮，最終形成許多恆星與矮星系。在銀河系的狀況中，暗物質的無所不在代表我們應該能夠觀測到數千個小型衛星星系。但當我們眺望夜空時，卻只觀測到數十個衛星星系。在1990年代，天文學家首次確定了無法找到這麼多的矮星系，此後這便稱為「失蹤的衛星星系問題」。
