橙色亮点散在灰色背景上,黑色细线弯弯绕绕,聚成蛛网一样的结构。10 月 25 日的 NASA 天文每日一图,把宇宙画成了一张有些幽暗的地图。

模拟图像及版权:Tom Abel & Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH。原始页面。
先认清图像的身份:这不是望远镜拍到的黑烟,也不是今天新测出的宇宙地图。它是美国自然历史博物馆海登天文馆节目《Dark Universe》采用的一幅电脑模拟静帧。按这张图的配色,黑色网丝代表暗物质,橙色团块代表我们熟悉的普通物质。
黑色不等于会挡光
“暗物质”很容易让人想到煤块。但煤是因为吸收可见光而显黑;暗物质的意思,是我们没有靠它发出、反射或吸收的光把它认出来。
我们看见的是它的引力作用。NASA 的介绍列出几条线索:星系中的运动、星系团的质量,以及遥远星系的光经过前景物质时发生的弯曲和变形。引力透镜像一把会扭曲背景的放大镜,天文学家可以从变形反推前景的质量分布。
这些证据支持存在大量看不见的物质,却还没有告诉我们它究竟由哪种粒子组成。因此,模拟里的“黑”是一种标记,不能理解成宇宙中漂着肉眼可见的黑色丝带。
让引力自己织网
电脑模拟从物质分布中微小的不均匀开始。稍微密一点的地方,引力会把更多物质拉过去;周围物质继续汇聚,差别逐渐放大。在宇宙膨胀的背景中,物质形成薄片、丝状结构和较密集的团块,低密度区域则留在它们之间。
研究人员给出初始条件和物理规律,让计算随着时间推进,再把结果转换成图像。模拟能在统计上与观测比较,例如物质怎样聚集、结构有多大;这不意味着每一根网丝都对应某一条已知的真实宇宙网丝。
图像如何画出来,本身也有科学。Ralf Kaehler、Oliver Hahn 和 Tom Abel 在2012 年的可视化论文中讨论,把模拟粒子连接成许多四面体小单元,利用这些单元随引力变形的情况计算密度,再借助图形处理器绘制。粒子是计算中对物质分布的采样,不是一粒粒已被探测到的暗物质粒子。
还有一种“暗”,做的是另一件事
暗物质与暗能量名字很像,却不是同一种东西。暗物质的引力参与物质聚集;暗能量则是科学家用来描述宇宙加速膨胀背后未知原因的名称。不能把黑色网丝说成暗能量,也不能把宇宙膨胀想成每个星系内部都被均匀吹大。
再看这张图,可以做一个小练习:先找一条细丝,再沿着它找交汇处,比较那里与浅灰区域的橙色亮点分布。然后问自己:哪些是计算给出的结构,哪些是作者为了让人看清而选择的颜色?能分清这两件事,就已经开始像读科学图表一样读宇宙了。