宇宙学的所谓低温暗物质理论把粒子物理学、宇宙学以及星系和星系团形成的理论结合起来成为一个精巧的整体。而今这个令人难忘的理论何以会陷入困境？

年初，我们一组英国天文学家在《自然》杂志上发表了一篇研究报告，世界报界的一些专栏作家声称，这篇论文使宇宙学陷入了危机。我们的论文描述了用地面望远镜对由红外天文卫星在红外波段发现的星系作系统研究的结果。我们已经绘制了第一张详尽可信的关于宇宙中物质分布的三维图。此结果引人瞩目：它揭露了当今流行的关于宇宙形成和演化的标准模型的严重矛盾，这种模型是有赖于一种奇特的、不可见的物质——“低温暗物质”来解释星系和星系团形成的。

10多年来，我们知道宇宙中存在的物质比我们看到的要多。天文学家已经得出结论：宇宙不可能仅仅包括组成我们的躯体、地球和星球的一些常态物质。大部分用一般望远镜看到的常态物质均以重子，亦即质子和中子的形式存在。其他粒子，如电子等，只占宇宙质量的很小一部分。

在大爆炸后不久，由于某种原因重子聚合在一起形成星系和星系团。但是，我们发现，就在这一过程顺利进行时，宇宙实际上是难以置信地平滑和均匀。我们可以通过观察微波背景辐射得悉这了切，微波辐射被认为是大爆炸的火球相的微弱残迹。这种辐射显著的平滑性表明，在大爆炸以后的30万年左右，常态的重子物质和辐射的均匀性至少达到万分之一的精确度。从这样平滑的状态开始，凭借引力作用，简直没有足够的时间组合成我们今天所见的星系和星系团。宇宙必定还包含着迄今未被发现的暗物质，这是天文学家偏爱的一种解释。

对于这种暗物质，理论工作者提出两种相反的可能性。一种是以接近光速运动的粒子组成的“高温”暗物质，另一种是理论上容许的大爆炸中产生的低速粒子，称作“低温”暗物质。70年代，当理论工作者第一次透露暗物质的想法时，中微子乃是高温暗物质的一种最接近的候选者。粒子物理学家通常把中微子看作无质E的、恰似光速运动的粒子，中微子具有很微小的质量的可能性还未排除。还没有性质与低温暗物质完全相符的已知粒子，但粒子物理学家预言有几种可能的候选者。最为大家所接受的、符合自然力是如何统一的概念的两种粒子被称为轴子和光微子。

在宇宙形成的甚早期，所有形态的物质与辐射相互强烈地作用，使它们的能量均匀化。随着时间的推移，不同组分的物质从辐射中分离出来，并在引力作用下开始凝聚在一起。构成暗物质的弱相互作用的粒子与辐射解耦比一般重子物质要早得多，故在引力作用下其密度的不均匀性，将会有足够的时间变得愈来愈明显。当重子与辐射解耦时，暗物质的不均匀性已充分显现，并充当重子物质凝聚的晶种。

高温暗物质和低温暗物质在与辐射解耦时的情况完全不同。计算结果表明，高温暗物质会形成大尺度结构，这些结构会坍缩成扁平状聚集物，由此形成星系，这就是星系——星系团形成的所谓“顶向下”图像。相反，低温暗物质首先会形成一些小块，作为形成星系的晶种，星系随后会在引力的作用下聚集成星系团和更大的结构。这就是所谓的“底向上”图景。

因为很难把星系在星系团中的实际分布情况与“顶向下”图景加以对照，所以人们对低温暗物质理论就研究得更起劲。一组天文学家探索了计算机模拟星系及星系团的形成方式，他们是加利福尼亚大学贝克莱分校的戴维斯（M. Davis）、剑桥大学的埃弗斯坦沙（G. Etstathiou）、达累姆大学的弗伦克（C. Frenk）和亚利桑那大学的怀特（S. White）。借助于低温暗物质，天文学家还不得不承认星系的形成有所“偏好”：星系只有在暗物质密度有特别大的波动区域才形成；否则，计算机模拟结果会得到极其平淡、没有特征的星系分布状态。

不仅可根据低温暗物质理论准确地预计星系聚集的平均几率，而且计算机模拟结果看上去和我们在天空中所见的星系分布情况极其相似。但是，能否拿出证据来证明宇宙真的拥有暗物质呢？

用射电望远镜和光学望远镜研究旋涡状星系旋转的方式，结果表明它们被暗物质晕圈环绕着。分析星系对和星系群的运动情况，更肯定了这样的结论：星系比假定的可见的辐射物质的总量要重。但当把所有星系包括它们的暗晕圈在内加起来以求宇宙的平均密度时，其值仅仅是所谓“临界值”的10%。若比临界密度小，宇宙将永远膨胀；相反，若比临界密度大，引力终究将使膨胀停止，宇宙则再次坍缩而发生“大摩擦”。

理工作者往往赞成宇宙恰有几乎临界的密度值，其部分原因是：这样可避开我们恰好生存在一个颇为特殊的时期的巧合，在这个时期，退行星系的动能几乎与其势能平衡。但宇宙学家更喜欢“宇宙有一个临界密度”这种论点的主要原因，还在于它是宇宙初期所谓“暴胀”论这一极其成功的理论的一个必要条件。麻省理工学院的古斯（A. Guth）在W81年提出“暴胀”，作为发生在大爆炸刚过，整个宇宙由无限小的体积按指数规律暴胀的一个阶段。

我们亦可从轻元素：氦、重氢和锂的相对丰度来推算假设由重子构成的宇宙的密度。这些轻元素产生于大爆炸火球相阶段，它们的量与宇宙密度的关系十分灵敏。推算结果是：重子形式的宇宙的平均密度约为临界密度的5%。但是由于暴胀论预定，宇宙密度仍应跟临界密度十分接近，这就要求现今宇宙中95%的物质应该是某种暗的非重子物质。

所以，不仅在解释物质和辐射分离前星系怎样从宇宙高度平滑状态中凝聚出来需要暗物质，而且暴胀宇宙论也预言有暗物质。低温暗物质模型把粒子物理学、宇宙学和星系形成和聚集的理论联系在一起，成为一整套精巧的理论。所以粒子物理学家和天文学家给予这个理论以很高的评价。

为什么低温暗物质模型现今会陷入困境呢？无论多么难忘的宇宙理论，它必须与我们在空中实际看到的相符，让我们首先来分析一下过去10年来对星系分布的一些观察结果。1983年，哈佛大学的戴维斯、休吉拉（J. Huchra）及其同事们用地面光学望远镜观察星系的红移量，从而测定了2000多个星系的距离。由于星系正离我们而去，所以它们发出的光移向可见光谱的红色端（向长的波长方向移动）。在正在膨胀着的宇宙里，星系离去的速度与它们的距离成正比。

休吉拉和他的同事们画出了以称为局部超星系团的室女座为中心的星系密度，并能探测远远超出30兆光年以外的星系聚集情况。之后盖勒（M. Gella）和休吉拉通过对深层空间的研究，发现宇宙中存在着“长城”，它是一片300兆光年长的、连接着彗发和武仙座超星系团的星系。他们还证实了宇宙中存在着几乎没有星系的许多大空间，第一个被发现的空洞就是牧夫座空洞。这些长城和空洞尽管可作为掌故或统计上的反常而暂时不予考虑，但却给低温暗物质理论造成了困难。

1976年，美国、荷兰和英国决定合作发射一台低温冷却望远镜IRAS，在远红外波段（10—100微米）探查空间。我确信借此可进行宇宙学研究、此红外天文卫星在1983年2月发射。在发射后数星期里，我们便完成了对一长条空间的彻底探查。当此红外天文卫星持续飞行不到10个月，便已探查了96%的星空。这个红外天文卫星是在60至100微米波段检测着千万个星系的信息。我们测定了在银河北极周围844方度天域内由红外天文卫星收集到的所有辐射源的光谱。我们曾指出，从它们的红外特征看得很清楚，除了少数几个星球以外，60微米处的辐射源99%以上是星系。

这时候，我们有了“全天空红外天文卫星发现的星系的红移观测”的想法，我们将测量遍布整个星空、由红外天文卫星发现的2400个星系的红移量，并由此测定它们的距离。直到1988年才完成了这项测量任务。

三维宇宙

掌握了一整套星系的红移量的资料以后，我们便首先研究红外波段星系的亮度分布情况。不仅在研究星系的红外辐射是否随着宇宙时代而变化时需要这些资料，而且用红外天文卫星发现的星系情况绘制宇宙中物质的总密度分布图也需要这些资料。我们的红外探测与以往的任何光学探测相比，可描绘范围大得多的星空，这是因为可见光会被弥漫在我们星系的星际尘埃所吸收。河红外天文卫星很灵敏，使我们能测到更远的空间，因能绘制出500兆光年半径的局部星系的大范围里的物质的一张独特的三维密度分布图。

利用这种密度图，我们可以估算出邻近星系和星系团作用于我们银河系的引力。由微波背景辐射来看，作用于银河系的净引力的方向跟银河系运动的方向极其相符，因而，我们已充分地阐明了所观察到的完全平滑的微波背景中仅有的不均匀性——与银河系运动同向则增强（由多普勒效应所致），反向则减弱。

有意义的是，我们的密度图上未显示任何所谓的“大引力源”的征兆。一些天文学家曾声称，半人马座星系团正以每秒1000公里的速度“漂”离我们而去，因为它正被拉向其后面的一个大的密实结构。随后对半人马座区域的研究得出了与这种漂移运动相矛盾的结论。星系图表明这一区域的星系团伸展很广，在半人马星座后面有一个新的一般大小的星系团，但还没有发现能引起漂移运动的结构。我们的红外天文卫星图揭示了我们的银河系被一打左右的星系团吸引，其中大部分净引力来自室女座、长蛇座和半人马座星系团。

作为博士论文的一部分，桑德斯（Sauders）继续制作了以红外天文卫星发现的星系的分布情况为基础的三维宇宙密度图。在完成博士学业转入牛津大学后，他把这些图改变为深色图，这些图真正是天文学家可以采用的第一批可信的宇宙深层密度图。他还制作了密度分布的直方图，可以用来同一些模型（如低温暗物质模型）的预测相对照。桑德斯的直方图以及由直方图作的统计学检验使结果显得更清楚明瞭。宇宙在大尺度上比现在的低温暗物质模型所预计的更具有成团性。我们把说明这一结论的文章送交《自然》杂志社，该社决定把我们的彩色密度图印在杂志的封面上。该杂志组织特写，发表了一篇轰动一时的评论稿，断言我们的论文意味着低温暗物质论的终结。

我们的研究结果是否真的就是低温暗物质论的终结了呢？利用红外天文卫星发现的星系的数据对我们银河系引力作用的分析，表明宇宙的密度一定接近于临界密度、因而宇宙90%或90%以上系由某种暗物质构成。我们知道，尽管微波背景辐射惊人地平滑，但我们需要暗物质来解释星系的形成。问题不在于宇宙中是否存在暗物质，而在于暗物质以何种形态存在。低温暗物质模型用于解释星系和星系团的形成十分有用，但在解释大尺度上看到的成团性时显得有些棘手。

这里有三个方案：第一是修正低温暗物质模型，使之能给出更多的大尺度结构，这单看理论工作者是否能做到使人信服。第二是引入一些新的成分，如高温暗物质的成分，来解释大尺度结构。最后，第三个方案是试图提出一些星系形成和聚集的全新的解释。理论工作者正在这方面努力探索着。我们相信，今后数年必将是宇宙学令人激动的时期。

[New Scientist，1991年3月9日]