宇宙其实是一张巨大暗网：NASA超算模拟揭示暗物质如何搭建星系骨架

如果把全宇宙所有能发光的恒星、星云、行星，加上你我脚下的地球全部算上，在整个宇宙里到底占了多少？

不到百分之五。

剩下的百分之九十五，是人类至今用望远镜都看不见的未知世界。

更不可思议的是，如果没有这片看不见的黑暗，今天宇宙里根本不会有星系，不会有太阳系，甚至连你我都不会存在。

这几天 NASA 的每日天文一图，放出了一张让人屏住呼吸的宇宙模拟图。

画面来自斯坦福大学粒子天体物理和宇宙学研究所的汤姆·阿贝尔，以及科学可视化专家拉尔夫·凯勒。

他们为美国自然历史博物馆的海登天文馆，做了一套极高精度的超级计算机模拟。

在这张图里，宇宙看起来就像一张巨大的、错综复杂的黑色蜘蛛网。

蛛丝密密麻麻地铺满整个空间，而在蛛丝交叉打结的地方，点缀着一团团微弱发光的橙色光点。

很多人第一眼以为，那些黑色的网状蛛丝是宇宙里的虚空或者尘埃。

正好相反。

那些黑色的丝状结构，就是占据宇宙近三成总质量的暗物质。

而那些被裹在网结里、星星点点的橙色小团块，才是我们所有能看见的正常物质，比如恒星、星系和气体。

为什么天文学家非要把宇宙画成一张蜘蛛网？

这要从天体物理学上一个折磨了科学家几十年的谜题说起。

上世纪七十年代，天文学家薇拉·鲁宾在测量仙女座星系和其他漩涡星系自转的时候，发现了一件完全不合常理的事。

按照正常的引力规律，就像太阳系里的行星一样，离中心越远的天体，公转速度应该越慢。

水星跑得最快，冥王星慢吞吞地转。

但是星系边缘的恒星，公转速度根本没有慢下来。

最外围那些星星，跑得和靠近星系中心的星星几乎一样快。

如果只算星系里所有恒星和气体的引力，星系根本抓不住这些狂奔的外围天体。

巨大的离心力早就应该把它们甩飞出去了，像甩干机里的水珠一样被狠狠抛入星系际荒漠。

但它们稳稳地在轨道上转了几十亿年。

唯一能解释通的可能就是，星系周围还包裹着一层巨大的、我们肉眼看不见的引力源泉，死死拽住了所有狂奔的恒星。

这就是暗物质。

既然看不见也摸不着，天文学家怎么证明这玩意真的存在，而且还织成了一张大网？

这就逼得科学家必须用超级计算机去复盘整个宇宙的演化史。

宇宙大爆炸刚过去的时候，整个宇宙是一锅滚烫稠密的粒子汤。

普通物质带电荷，天天跟高能光子撞来撞去，被辐射压力推得来回翻滚，根本聚不起来。

这就带来了一个致命问题。

如果只有普通物质，在大爆炸后的几十万年里，它根本来不及聚团。

等宇宙冷却下来，空间膨胀的速度已经太快了，微弱的引力根本跑不赢宇宙膨胀。

如果真是这样，宇宙到现在也只是一团毫无生机的稀薄均匀气体。

恒星造不出来，星系更长不出来。

那星系是怎么抢在时间前面诞生的？

秘密就在暗物质身上。

暗物质不参与电磁相互作用，完全不受辐射光子的推搡。

当普通物质还在被光子撞得晕头转向的时候，暗物质早就凭借纯粹的引力，悄悄开始抱团坍缩了。

在引力的拉扯下，暗物质先连成了一条条巨大的细丝，并在交点处形成深不见底的引力深井。

这就像在空旷的宇宙工地上，先搭起了一整套庞大的骨架。

等到宇宙温度降下来，辐射压力减弱，普通物质终于能安顿下来了。

它们一抬头，发现周围全是暗物质已经挖好的引力深坑。

普通氢气和氦气便顺着这些黑色的蛛丝，成批成批地往坑底滑落。

气体在深井里越积越密，降温冷却，终于在引力压迫下点燃了核聚变，第一批恒星和星系才真正诞生。

把这套过程搬进超级计算机，阿贝尔和凯勒碰到了一个极棘手的问题。

暗物质粒子之间是没有碰撞的，粒子群在相空间里流动，就像一层薄膜在六维空间里反复折叠。

以前传统的计算机模拟，把暗物质简化成一个个离散的点粒子，一算到多层重叠的地方，画面就全是噪点和毛刺，根本算不清细节。

凯勒和阿贝尔换了一种思路。

他们利用数学上的四面体网格，追踪连续流动的相空间流形，并在图形处理器上进行高精度的几何重建。

这让计算机第一次精确捕捉到了暗物质流动折叠时产生的焦散面。

算出来的结果，就是那张震惊天文学界的蛛网全景。

最厉害的地方在于，当科学家把计算机模拟出的这张暗物质骨架图，跟斯隆数字巡天等望远镜实际绘制出的数十万个星系真实空间分布摆在一起时，两者的统计特征几乎完全重合。

那些真实的巨型星系团，分毫不差地坐落在模拟网格的交叉节点上。

虽然我们在地下实验室里还没直接捕获到一颗暗物质粒子，但这台引力编织机的工作痕迹，已经被刻在了整个宇宙的骨骼里。

但如果故事只到这里，宇宙可能还算比较温和。

阿贝尔和 NASA 的天文学家在这张图的解说里，提到了一个更让人深吸一口气的事实。

在宇宙的质量和能量账本里，暗物质占了大约百分之二十七。

而占了大约百分之六十八的大头，是一个叫做暗能量的神秘存在。

暗物质是拉扯的引力，负责把骨架编织起来，让星系凝聚。

而暗能量产生的却是排斥性的负压引力，它像一个均匀弥散在空间每一个角落的推手，正在把整个宇宙的空间越来越快地撑大。

在引力把物质聚合成星系的同时，暗能量正在把不同星系之间的距离越推越远。

我们人类能够看到、触碰到、写进元素周期表里的所有物质，不过是这张宏大暗网上面，偶然凝聚出来的一点点橙色尘埃。

它只占了百分之五。

但正是这百分之五里的我们，凭借着物理学和计算机，硬是在漆黑的夜空里，把剩下百分之九十五的运转轨迹一步步算了明白。