创造文章

翻译自： Stars just don’t form naturally—‘dark matter’ the ‘god of the gaps’ is needed

出版者：国际创造事工（Creational Ministries International, CMI）

原作见：https://creation.com/stars-dont-form-naturally

发表日期：2015年9月1日

“暗物质”是自然形成恒星的必要成分，仅在已知标准物理条件下才成立。“暗物质”是一种假设的奇异物质形式，不为实验室物理学所知，它不与光相互作用，也不以任何方式发射光，因此在电磁波谱（从无线电波到伽马射线）内的所有探测方式下都无法探测到它。因此，“暗物质”本身超出了已知标准物理的范围。它是一种人造物质，被赋予了一种特殊的性质：引力，也就是说，与普通物质不同，它只是引力的来源。

探测“暗物质”

但是，暗物质是否已被直接测量发现？除了根据星系自转曲线等异常现象推断其存在之外，例如螺旋星系臂中恒星和气体的运动不符合标准牛顿物理学中预期的开普勒定律，是否也从未发现过暗物质？不，它还没有，而且这还是在实验室探索了40年之后才发现的。然而，人们相信它的存在——它是“空隙之神”（the god of the gap）——并且至关重要，否则许多天体物理观测结果与应用标准物理定律所预期的结果就会不一致。图1为暗物质的图像。

理论物理学家莫德海·米尔格罗姆（Mordehai Milgrom）提出了一种暗物质的替代方案，称为修正牛顿动力学（Modified Newtonian Dynamics，MOND），他略微改变了星系大尺度上的引力定律，以解决更大尺度上的星系自转曲线和星系动力学问题。在 2014 年《新科学家》杂志的一篇文章中，¹记者马库斯·乔恩 (Marcus Chown) 向米尔格罗姆提问：

“为什么现在是认真考虑暗物质替代方案的好时机？”

他回答道：

“包括大型强子对撞机、许多地下实验和多个太空任务在内的一系列寻找暗物质的实验，都未能得到任何令人信服的结论。此外，人们越来越意识到，主流的暗物质模型存在缺陷。其中之一就是，它预测我们应该看到比实际情况更多的矮星系绕银河系运行“

我在《为什么暗物质遍布宇宙？》一文中指出了后一个问题。在本文中，我将更多地关注恒星形成，而不是星系形成，尽管两者之间存在关联。没有恒星，星系就不会存在。但在探讨这个问题之前，请先思考以下几点：

大规模宇宙计算机模拟

BBC 的一则新闻标题是“实验室重现宇宙演化”。² 这篇报道讲述了一个国际研究团队“……创造了宇宙演化最完整的视觉模拟”。他们利用超级计算机创建了一个所谓的早期宇宙模型，展示了“……第一批星系是如何围绕一种名为暗物质的神秘隐形物质团块形成的”。图 2 展示了他们的模拟结果与真实宇宙的对比。结果看起来非常棒，不是吗？或许他们已经解开了宇宙起源的谜团？

他们研究的并非恒星的尺度，而是宇宙的大尺度结构和星系的形成。文章报道（黑体着重是我加的）：

“起初，它展现出宇宙学家称之为‘暗物质’的神秘物质丝状物，像宇宙树的枝条一样蔓延在虚空的宇宙中。随着数百万年过去，暗物质聚集并浓缩，形成了第一批星系的种子。”

他们必须使用暗物质作为“种子”，否则星系在他们的模拟中就不会凝聚。卡洛斯·弗伦克（Carlos Frenk）教授（杜伦大学Durham University）说道（着重是我加的）：

“你可以制造出看起来像真实存在的恒星和星系。但真正起决定作用的是暗物质。”

如果没有这个未知的“空隙之神”（god of the gap），你根本无法通过模拟产生任何看起来像真实宇宙的东西。已知的物理定律不允许这样做。麻省理工学院的沃格尔斯伯格（Vogelsberger）博士说道（着重是我加的）：

“如果（在模拟中）不考虑暗物质，它看起来就不像真实的宇宙。”

最后，宇宙学家罗宾·卡奇波尔博士（剑桥天文研究所）补充了记者所说的警告（着重是我加的）：

尽管他称赞这次模拟“非常壮观”，但他补充道，“人们绝不能被它纯粹的视觉美所迷惑。你得到的是一些看起来像星系的东西，但它们与星系诞生的物理原理并没有太大关联。”

恒星形成的基本成分

正如卡洛斯·弗伦克教授在上述文章中指出的那样，暗物质对于恒星的形成至关重要，他指的是自然形成的，也就是说，仅根据已知的物理定律。

可见宇宙中大约有10¹¹个星系，平均包含约10¹¹颗恒星，总数约为10²²颗。因此，它们的形成是宇宙的基础。没有恒星，就没有宇宙。然而，从世俗的角度来看，对恒星形成的理论理解相当匮乏，但理论家们充满希望，他们正在通过计算机模拟继续研究，试图重建早期宇宙和恒星形成的历史。

主要的困难在于模拟恒星形成的物理过程，其中涉及重力、高度湍流的气体动力学、磁场、辐射、分子和尘埃化学。恒星形成还涉及巨大的长度和时间尺度范围，假设其仅是自然过程，这使得即使使用超级计算机也难以进行模拟。

【图注：图a：暗云，密致核心，20,000天文单位，AU=天文单位=平均日地距离= 149,597,870,700 m。图b：引力坍缩，10,000天文单位，时间=0。图c：原恒星，外层，双极流动，圆盘，500天文单位，10,000-100,000年。图d：金牛座T星，双极流动，原行星盘，中心恒星，100天文单位，100,000-3,000,000年。图e：前主序恒星，行星碎片圆盘，100天文单位，3,000,000-50,000,000年。图f：年轻恒星系统，中心恒星，行星系统，50天文单位，50,000,000年以后】

如今，暗物质已成为所有恒星形成模拟中不可或缺的组成部分，因为任何假设的氢气云一旦凝结到一定大小，就会达到流体动力学平衡。这意味着，由于压缩云加热而累积的压力对云产生的向外力，等于由于云中所有物质相互引力而对云产生的向内力。此时，除非引入其他因素来克服这一限制，否则不会再发生收缩。

你可能听过“位力化的”（virialized）系统这个说法。在这种状态下，云的动能和重力势能之间达到了平衡。一旦达到平衡，除非能量从云中辐射出去冷却，否则不会再发生任何变化，而这可能需要一段不确定的时间，如果物质密度低于某个值，冷却就不可能发生。解决这个问题的方法是，一开始就使用比正常物质多得多的暗物质，这会立即打破这种平衡状态。据称螺旋星系由85%的暗物质构成，从而为这一假说提供了依据。

任何原始气体云——主要由氢组成——都被认为是宇宙所谓的热大爆炸起源的产物，其中只有氢、氦和少量锂通过核聚变形成。³ 根据该理论，在3到20分钟后，大爆炸火球的温度会冷却到不再发生聚变的程度。

最初，元素（氢、氦）以热等离子体的形式存在，但大约38万年后，等离子体冷却到足以使电子与质子和其他原子核重新结合，最终只形成氢气和氦气。据推测，大约十亿年后（该模型具有一定的灵活性），第一批恒星便从这些气体中形成。⁴ 但是，这是一个很大的“但是”，目前尚无任何已知的自然定律（物理定律）能够允许第一批恒星从所谓的原始气体云中形成。

图 3 展示了恒星的形成过程。但请注意，在图 3(a) 中，模拟始于一个致密的核心，因此在图 3(b) 中可能发生引力坍缩。“某物”被添加到开头，否则什么也不会发生。

金斯（Jeans）极限

如果没有这个“某物”，基本物理学必然会被违反，或者金斯极限⁵必须通过压缩或冷却云层来克服。然而，一旦克服了这个极限，引力就会接管[图3(b)]并进一步压缩云层，形成原恒星[图3(c)]。但是，如果没有克服这种自然限制的机制，云层会自然升温，从而阻止进一步压缩，最终达到平衡状态。

在恒星形成的计算机模拟中，计算机程序通常以一个过密度启动，这样就已经达到了金斯质量（Jeans mass），因此这个极限不是问题，因为模拟是从该点之后开始的[如图3(a)和(b)所示]。金斯质量= Kρ-1/2T3/2，其中K为常数，ρ为云层密度，T为绝对温度。

一个没有恒星的宇宙，即只有氢气和少量氦气以及已知的物理定律的宇宙，不是我们生活的宇宙。从自然主义的角度来看，只有 三条可能的研究路线可以克服这个问题，即自然地形成恒星。

1. 冷却云团使其能够继续压缩，从而增加其密度 (ρ)。如果有足够的时间冷却，最终有望突破金斯极限；

2. 通过以下方法压缩云团以克服金斯极限：a) 类似托卡马克6中的磁场来限制热等离子体，或 b) 某种外力，例如超新星，将云团压缩至金斯极限以上；

3. 引入一些新的奇异物质，这些物质不受正常热力学因素的影响，因为它不与正常物质相互作用，因此它会对云团产生额外的引力，但不会导致其升温。因此，这种方法可以用来克服云团中达到的平衡条件，阻止其进一步坍缩形成恒星的问题。

有人提出，附近的爆炸恒星（超新星）可以压缩气体云，并假设我们的太阳是在邻近星系的一颗红巨星爆发超新星之后形成的。冲击波是由向外传播的冲击波产生的。参见图4，图中以“宇宙珍珠”（cosmic pearls）的形式显示了从中心爆炸源向外传播的高温等离子体。但是，压缩气体云需要超新星冲击波的想法引入了一个“先有鸡还是先有蛋”的问题，因此很难解释所谓的大爆炸后不久第一批恒星——第三星族恒星——的起源。

图 4. 超新星 SN1987A 的宇宙珍珠

图片来源：NASA 的 P. Challis、R. Kirshner（CfA）和 B. Sugerman（STScI）。

气体云中的磁场也正在被研究。磁场不仅于事无补，反而会阻碍气体云的坍塌，除非气体云能够通过扩散携带磁场的离子来消除磁场。恒星形成的主要希望在于通过氢分子的红外辐射形成冷却通道，但这需要很长时间，因此模拟从暗物质和氢（正常物质）的混合物开始。如果没有假定的暗物质的帮助，无论你给它多少亿年（这里没有双关语），恒星的形成都是不可能的。物理学仍然是个问题。

以下是《科学美国人》（Scientific American）一篇题为“宇宙中的第一批恒星”⁷ 的文章对这一过程的描述（着重是我添加的）：

这种冷却在原始系统中的普通物质与暗物质分离的过程中起着至关重要的作用。冷却的氢会稳定下来，形成一个扁平的旋转结构，该结构呈块状、丝状，形状可能像一个圆盘。但由于暗物质粒子不会释放辐射或损失能量，它们会散落在原始云中。因此，恒星形成系统会变得像一个微型星系，由一个普通物质盘和一个暗物质晕组成。在盘内，最致密的气体团块会持续收缩，最终其中一些会发生失控坍缩，最终变成恒星。

以下内容写在一系列图表的开头，这些图表阐释了所谓的第一批恒星和星系的形成过程。

原始动荡导致第一批恒星诞生的过程与当今的恒星形成过程截然不同。但其中一些恒星的剧烈死亡为我们今天所见的宇宙的出现铺平了道路。

这部分内容由我的图5（复制）说明，图中显示了一个由暗物质和普通物质（氢气）混合构成的原星系。

这里的暗物质是“空隙之神”（the god of the gaps），用来克服阻止云团坍缩成恒星的基本物理原理。事实上，人们认为，最初的原星系⁸大部分是由暗物质（一种未知类型的基本粒子⁹）构成的。暗物质被赋予了实现预期结果所需的特性。它不发射辐射，这意味着它无法被常规的电磁探测方法探测到；它不会损失能量，因为它不与其他正常物质粒子相互作用。它就像一个引力“神”，能够产生强大的引力，强大到足以克服云团中热气体压力的阻力，使正常物质氢坍缩成恒星。这只是一个精彩绝伦的故事。

还有人声称，今天我们确实观察到恒星的形成，而这些恒星是在没有外力（例如来自附近超新星的冲击波）的地方形成的。据称，大多数恒星形成发生在螺旋星系臂的“密度波”中，这是一种引力效应，由无数恒星、气体和尘埃在星系引力势阱中相互作用而产生。参见图6。

让我们来解释一下。首先，即使星系螺旋臂中现有的物质确实提供了导致气体云坍缩成恒星所需的引力势阱，也无法解决第一批恒星的问题。其次，这里使用的论点——“密度波”——是一种支持螺旋臂结构发展的理论，它与大多数天体物理学存在同样的问题——需要暗物质。由于星系盘区域恒星和气体的异常旋转曲线，人们推测暗物质存在于环绕星系的晕中，除了在星系核心之外，暗物质在星系核心之外随处可见，而核心通常是人们最期望发现暗物质的地方。但那里并不需要暗物质。请记住，它不是观察到的，只是推断其存在以解决恒星运动的问题。

“密度波”理论也用于解决以下问题：一个100亿年的星系的螺旋结构为何看起来只有一两次旋转（缠绕）。由于其旋转周期为2亿年，螺旋结构应该有50次缠绕。天文学家有时将此称为旋臂的“缠绕问题” （wind-up problem）。出现这一问题的原因是，我们观察到这些星系盘的内部旋转速度比外部快。星系不是固体，当它们旋转时，它们应该缠绕得非常厉害，以至于它们的螺旋结构应该在它们所谓的100亿年寿命中被破坏。后一个观察事实是圣经创造论者长期以来用作支持年轻宇宙的证据。事实上，星系几乎就像我们观察到的那样被创造出来，所以并不存在“缠绕问题”。

图6. 博德星系（Bode’s galaxy），显示出氢气云（粉色）的强烈辐射。这些旋臂区域据称是活跃的恒星形成区域。

所以这都是故事的一部分。在这些星系中，我们真的观测到正在坍缩成恒星的气体云吗？当然没有！强烈的辐射向天文学家发出信号，表明存在活跃的年轻新恒星，因此他们会报告恒星形成区域。但是，来自热氢气的非常明亮的辐射并不能告诉你恒星是如何形成的。任何基于圣经的创造论模型都必须解释第一批恒星以及星系中恒星的形成，但因为《创世记》记载上帝在创世第四天创造了恒星，我们知道第一批恒星是上帝在那一天以超自然的方式形成的。而且由于仍然存在金斯极限的问题，因此在创世周第四天之后不太可能形成许多恒星。

结论

为了使恒星自然形成，我们必须发明一种未知的物质——暗物质——它拥有恰当的性质——也就是未知的“空隙之神”。没有它，恒星的形成根本不可能！

但为什么要发明这种未知的物质呢？在天体物理学和宇宙学的许多领域，人们都利用暗物质来解决一些问题。但更根本的是，为什么要发明一个“神”来推翻既定的物理定律来解释恒星的形成呢？是不是因为，如果不这样做，天文学家就不得不承认唯物主义失效了，宇宙中除了氢、氦、一些更重的元素、磁场、辐射和物理定律之外，还有更多的东西？

参考文献及注释

1. Chown, M.，Forget dark matter—embrace my MOND theory instead忘掉暗物质——拥抱我的MOND理论，New Scientist新科学家杂志222(2967):26–27，2014年5月3日。
2. Ghosh, P.，Universe evolution recreated in lab在实验室立重现宇宙演化，com，2014年5月7日。
3. The physics of the universe宇宙物理学，physicsoftheuniverse.com，2015年7月2日访问。
4. 这些被称为第三星族恒星，也被称为金属贫乏恒星（金属指的是原子序数大于氦的任何元素）。长期以来，它们缺乏探测一直是大爆炸理论的一个难题。据预测，第一批第三星族恒星形成于红移约为z = 10-30的水平。詹姆斯·韦伯太空望远镜暂定于2018年发射，有望探测到一些早期星系，但能否探测到第一批恒星，即第三星族恒星，则备受质疑。事实上，所有观测到的恒星，即使在哈勃超深空区，也并非都是第三星族恒星。
5. 金斯（Jeans）不稳定性，wikipedia.org，访问日期：2015年7月2日。
6. Tokamak托卡马克，wikipedia.org，访问日期：2015年7月1日。
7. Larson, R.B. 和 Bromm, V.，The First Stars in the Universe宇宙中的第一批恒星，特别版， “The Secret Life of Stars” 恒星的秘密生活， Scientific American (科学美国人)杂志14(4):7-9, 2004。
8. 参考文献7，第8页。
9. Hartnett, J.G.，Dark Matter and the Standard Model of particle physics—a search in the ‘Dark’ 暗物质与粒子物理标准模型——‘暗’中的探索，2014年9月；creation.com/dark-search.

作者介绍：

John G. Hartnett约翰·哈特内特毕业于西澳大利亚大学 (UWA) 物理学院，获得理学学士 (荣誉) (1973 年) 学位和博士学位 (2001 年)。他是一位澳大利亚年轻地球创造论者和宇宙学家。他积极参与国际创造事工，以反对大爆炸理论以及批评暗物质和暗能量假说而闻名。

他在专业天体物理学杂志上发表过许多文章，采用Moshe Carmeli摩西·卡梅利提出的“宇宙相对论”，应用在一个有限欧式空间内，能够证明假设暗物质和暗能量是没有必要的。

约翰·哈特内特是Starlight, Time and the New Physics《星光、时间和新物理学》（2007 年）一书的作者，也是Dismantling the Big Bang《拆解大爆炸》一书的合著者。