世上真的有暗物質存在嗎？

既然暗物質既不發出任何波段的光，也不和任何波段的光發生作用，用任何波段的探測器或望遠鏡都無法觀察到，那人們怎麼知道它的存在呢？

我們知道，地球圍繞太陽旋轉，爲什麼地球既不被太陽吸引過去也不會遠離太陽飛走呢？太陽對地球有引力，而地球圍繞太陽旋轉有一定的速度而有離心力，當太陽的引力正好等於地球的離心力時，地球就被束縛在一定的軌道上。按照牛頓定律，引力的大小與太陽和地球的質量有關，質量越大，引力就越大。如果地球的速度太大，或者太陽的質量太小，離心力大於太陽的引力時，地球就遠離太陽而去。可見，宇宙中星球、星系的穩定運動狀態都是它們的運動速度和一定質量之間平衡的結果。太大的質量太低的速度，或者太小的質量太高的速度，都不會穩定，也不可行。

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八十多年前（1933 年），費裏茨·茲威基驚奇地發現了一個奇特的現象：大尺度的星系團中衆多星系的相對運動速度非常高，可它們又被約束（或被限制）在星系團中不能遠離。但根據我們所觀測到的星系團質量估算出的引力卻遠小於由星系速度估算出的離心力，即質量產生的引力無法將這些星系束縛在星系團中。如果假設星系團中還有我們“看不見”但具有引力的物質，且質量足夠大時，就有可能確保星系團中衆多星系雖然速度很高也不會散開。人們把這種“看不見”但具有引力作用的物質稱爲“暗物質”。可以說這是第一個暗物質存在的證據。暗物質有引力，有質量，但不發光也看不見。

應該說，費裏茨·茲威基（圖1.2.1（a））是提出“暗物質”概念的第一人。茲威基對事物觀察十分敏銳，是聞名遐邇的才子。可惜的是，他被當時的同行認爲是一個怪人，人際關係也比較差，沒人認真考慮他的觀點。他的觀察和他對“暗物質”的設想在很長的一段時間內無人問津。

1970 年，美國女天文學家維拉·魯賓（Vera Rubin）（圖1.2.1（b））發現了“暗物質” 存在的又一個證據——不管恆星距離星系中心有多遠，它們圍繞星系中心公轉的速度都是一樣的！至此，“暗物質”的概念才逐漸進入人們的眼簾。此後，天文學家們依據球狀星系旋轉速度的測量、引力透鏡的觀測、大尺度宇宙結構形狀，以及微波背景輻射等研究中的“異常”等現象，大膽地推測或猜想宇宙中很可能存在大量“看不見”卻又能通過引力作用而被感知的暗物質。儘管我們對暗物質的性質仍然瞭解甚微，但到了今天，佔宇宙能量密度很大部分的暗物質的概念已被廣爲接受了。

圖1.2.1 暗物質領域的兩位先驅者（a）費裏茨·茲威基，最早注意並提出暗物質存在想法的物理學家

現在人們已經發現了很多暗物質存在的證據，不可能在書中一一討論。下面僅就幾個暗物質存在的典型證據——“星系的旋轉曲線”“引力透鏡效應”“星系團的碰撞”“宇宙大尺度結構”做簡單介紹。

不好理解的旋轉曲線

萬有引力定律告訴我們，圍繞地球轉動的人造衛星的運行速度和距離和地球的總質量有關。地球繞太陽運行的速度和地球與太陽的距離及太陽的總質量有關。地球是按照引力的平方成反比定律纔會在一定的軌道上不停地轉動。圖1.2.2 所示爲美國發表的最新銀河系全景圖。銀河系是一個典型的螺旋星系，星系中的各個星體圍繞中心旋轉，中心亮度很大表明質量集中於中心，其直徑約10 萬光年。有4 條螺旋狀的旋臂從銀河系中心均勻對稱地延伸出來。銀河系中心和4 條旋臂都是恆星密集的地方，太陽系位於銀河系邊緣，銀河系第三旋臂——獵戶旋臂上。

圖1.2.2 美國發表的最新銀河系全景圖

同理，每個星體或氣團圍繞星系運行的速度和該物體與星系中心之間的距離以及星系範圍內的總質量有關。通常我們用旋轉速度與距離的關係曲線來描述它們的運功，稱之爲旋轉曲線。如果按照觀察到的星系範圍內的質量分佈和牛頓定律來計算，因爲觀察到的可見質量大都集中在中心，隨着距離的增加其速度應該減少，即旋轉曲線是隨距離下降的。而實際測量的結果發現旋轉曲線是平的，即旋轉速度不隨距離減少，速度基本不變。

圖1.2.3 是螺旋星系NGC6503 和測量得到的球狀星系旋轉速度與距離的關係曲線。圖（a）是螺旋座星系NGC6503 的亮度圖，圖（b）中的實驗點是不同距離觀測到的速度，其速度在距離大於2kpc就基本不變。圖（b）中標有“星盤”的虛線是依據星體質量分佈計算出的旋轉曲線，其速度隨距離迅速下降。很明顯，兩者相差甚遠。

如何來解釋這一差別呢？除非認爲我們依據亮度看到的星系的質量分佈有誤，導致旋轉曲線是隨距離迅速下降。只有星系中有大量看不見的物質，且分佈並不都集中在星系中心時，距離星系中心遠的恆星的運動速度纔不會比近處的恆星運動速度慢。如果將觀察到的氣體和塵埃分佈以及假設的暗物質分佈這三種物質都考慮進去，也就是將圖（b）中的標有“氣體”“星盤”“暗物質暈”的曲線相加得到的旋轉曲線才能和測量到分佈（圖中的實驗點）相符合。這說明星系中必然存在“看不到”的物質，但提供了束縛星系運動的引力。這一天文觀測結果爲暗物質的存在提供了最直接的證據。這是1978 年才發現的令人信服的證據。

圖1.2.3 球狀星系旋轉速度v 與距離R 的關係曲線

後來人們觀測了幾乎所有的螺旋星系，測量了它們的旋轉曲線，都有同樣的現象。圖1.2.4 所示爲部分螺旋星系的旋轉曲線。這表明所有螺旋星系中都存在有暗物質。

圖1.2.4 Sa NGC 4594 等螺旋星系的旋轉曲線

人們自然會問，是否存在另一種可能，即描述引力的牛頓定律有問題？遺憾的是，過去對地球、對太陽等星球的觀測積累了大量的觀察數據，根據牛頓引力定律計算得到的圍繞太陽運行的行星軌道與實際觀察數據相一致。太陽系原來的八大行星，即水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星的軌道計算均符合引力定律。應該說，前面講的海王星的發現也完全是牛頓引力定律的功勞。

同樣，對銀河系的觀測也同樣證明了引力定律是正確的。銀河系看起來像一個有兩條旋臂的巨大圓盤形旋渦，圍繞其中心不停地旋轉如圖1.2.2 所示。太陽在稍稍偏離這個旋轉中心的位置上，和其他恆星一樣不停地轉動，其速度大約爲每小時220km。依據太陽轉動的軌道和速度，可以計算出銀河系旋轉軌道內所有星球的質量總和約爲太陽質量的1 千萬倍。這個值和我們在銀河裏實際觀察到的恆星基本吻合。

即使是上述的球狀星系旋轉曲線，靠近螺旋星系中心的恆星速度也符合牛頓引力定律的理論計算，由此推測螺旋星系中心的可見物質密度非常大，相對暗物質質量很小，近星系中心區域幾乎不受暗物質的影響。

結論似乎只能是：星系裏必定有看不見的暗物質，它不發光，也不反射其他發光星體的光，但具有引力，也有質量。那麼，暗物質有多少呢？天體的亮度反映天體的質量，天文學家通常用星系的亮度來估算星系的質量（也就是可觀察到的質量）。當然也可通過引力來計算星系的質量（既包括觀察到的質量也包括看不到的質量）。這兩者之差就可認爲是暗物質的質量。通過旋轉曲線測量及引力計算出的銀河系的質量是由亮度推算出的銀河系質量的十倍以上，在外圍區域甚至達五千倍。可見，在銀河系整個範圍裏都存在有大量暗物質，有時稱之爲暗物質暈，是不言而喻的。

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雖然我們假設在銀河系整個範圍裏都存在有大量暗物質，並稱之爲暗物質暈，但是，要想證明銀河系最深處區域有無暗物質是極端困難的，因爲銀河系深處的核心區域直徑約10 萬光年。2015 年初，西班牙、德國及瑞典等國科學家Fabio Iocco1，Miguel Pato 和 Gianfranco Bertone，在英國《自然·物理學》雜誌發表了他們的研究成果。他們特別關注銀河系內部最深處以及太陽周圍的區域，在全面彙總大量實驗測量的旋轉曲線和分析觀察數據的基礎上，再與最新的銀河系質量分佈理論作詳細的對比分析與研究。研究表明，銀河系內部也存在着暗物質，否則觀測到的數據將無法得到合理解釋。這是第一次得到銀河系內部甚至太陽系內部存在暗物質的直接證據，並認爲，依據目前的數據，銀河系內部以及在太陽系內部的暗物質的主要成分不大可能是像質子或中子一樣的重子。

星體光被嚴重彎曲

我們知道，依據愛因斯坦廣義相對論理論，大質量物體周圍的時空是彎曲的，時空曲率將產生引力。當直線行進的光線通過大質量的物體時也是彎曲的，它的路線將沿着大質量物體所形成的時空曲率，也就是說，光線因爲引力作用被彎曲。這類似於光線通過凸透鏡被彎曲聚焦，且彎曲的程度與光線所通過的質量多少有關。這在物理學中稱爲引力透鏡原理。

圖1.2.5 所示爲引力透鏡的原理示意圖，圖中左側爲天體發出的光波經過中間的星體到達地球上探測器的示意圖，右側爲探測器獲得的圖像。光波受到所經過星體龐大質量的引力作用而被彎曲，到達地球上的光實際上是被星體引力作用發生了彎曲的光線，其彎曲程度不僅與星體的質量有關，彎曲後的圖像還與星體的形狀有關。當星體是圓球體時，圖像呈環狀（愛因斯坦環）；若星體是長條狀，圖像呈十字叉狀（愛因斯坦十字架）；如果星體是宇宙中形狀複雜的星系團，其圖像則是不很規則的各種弧形。我們可以通過圖像知道星系團的大致分佈，再由光線彎曲的程度計算出光線所通過的物體的質量。這一原理被廣泛地應用到宇宙中星系團質量的測量上，不管該星系團是否發光。

圖1.2.5 引力透鏡的原理

實際測量中我們驚奇地發現，所探測到的星體光線被嚴重地彎曲，以此彎曲估算出的星系總質量要比與用光學方法測量得到的質量大得多，即比能觀察到的星體質量大得多，多出來的部分就應該是星系中看不到的暗物質。可見，研究引力透鏡現象同樣可以揭示出星系團中有大量暗物質。

圖1.2.6 所示爲哈勃太空望遠鏡在1999 年完成維修後立即拍攝到的一張照片，來自星系團背後天體的光線因爲星系團的巨大質量而形成扭曲的圖像，出現許多細弧。一顆遙遠的類星體被引力透鏡分成了五星樣的虛像，這是典型的“引力透鏡”現象。這張照片還展示了由引力透鏡放大的珍貴星系，甚至還包含了一顆超新星。當然，我們也可以從中獲得星系團中暗物質的質量。科學家們依據這一原理，對幾乎每個星系團進行“引力透鏡”的測量，都能獲得這些星系團中的暗物質質量。

圖1.2.6 哈勃太空望遠鏡拍到的一張照片

奇特的大尺度星系團

圖1.2.7 所示爲奇特的大尺度星系團結構的照片。在遙遠的銀河外星系，天文學家通過大型望遠鏡已經發現了上千億個星系。這些星系在宇宙中聚集起來形成一個個集團，被稱爲星系團。可以說，星系團是成百或成千上萬個星系由於自身引力而約束在一起的束縛體系。這樣的集團大小不一，小的由十幾個到幾十個星系組成，而大的集團由成千上萬個星系組成。

星系團質量相當於星系集團中所有星系質量以及星系際介質的高溫氣體質量的總和。就像我們通過觀察鍊鐵爐輻射出的光來測量爐中鐵水溫度一樣，通過測量星系集團發出的X 射線就可以估計出它們的溫度，再由測量到的溫度就能計算出這些星體的運動速度。實際觀察發現溫度異常的高，這意味着它們之間的相對運動速度極大。如果這些運動速度極高的星體還能夠聚集在一起並形成星系團，就像上面講的，它們之間必須有足夠大的吸引力。這個吸引力遠大於我們所觀察到的星系團可見物質質量的引力，除非存在有我們沒有看到的物質——暗物質纔有可能。

通過相對運動速度和引力獲得這些星系集團的質量遠遠大於觀察到的星系和氣體質量的總和，這些“多出來的質量”可能就是暗物質。

圖1.2.7 大尺度星系團結構的照片

子彈星系團的碰撞

2006 年，美國天文學家利用錢德拉X 射線望遠鏡對星系團1E0657-56 進行觀測，並觀測到星系之間碰撞的過程。星系團的碰撞迅猛異常，竟然將暗物質與正常物質分離開來，成爲暗物質存在的更直接證據。

圖1.2.8 所示爲2006 年8 月美國NASA/ 錢德拉發佈的一張子彈星系團的照片，它實際上是由三張照片合成的。一張是可見光波段的星系照片（圖中的白點），另一張是X 光波段的星系團內氣體分佈（紅色部分），這兩部分相當於同一子彈星系團兩個不同波段（可見光和X 光）的照片。圖中藍色的部分不是直接拍攝下來的，是利用引力透鏡原理間接計算得出的質量分佈。

從合成圖中不難看出，這很像兩個星系團相撞，藍色部分（暗物質團）的作用較小，速度快，加速遠離；紅色部分是可發光的物質團，由於較強的相互作用，彼此離開得較慢，尾隨其後，形成幾個空間分離的團塊。空間分離的團塊可以看成存在有兩種類型的物質，且可見物質與暗物質的性質有很大差異。這一現象被看成“暗物質”存在的直接證據。

圖1.2.8 子彈星系團的照片

暗物質從根本上講不是我們通常說的物質。利用現代各種望遠鏡、各種波段的探測器都無法觀察到它的真面目，這是因爲它似乎不和其他我們能看到的物質發生任何作用。但是暗物質與普通物質間有引力作用，正是這引力作用和由此產生的各種現象最終讓我們證實了它的存在。

總之，不論小尺度的星系、大尺度的星系團或整個宇宙都發現有暗物質存在的跡象。萬有引力讓我們知道了宇宙中還暗藏有大量看不見的暗物質，感謝引力作用，讓我們知道了被“暗藏”的宇宙。

宇宙中有多少暗物質？

暗物質是一種詭異的不可見物質。目前看來，除了引力作用之外，它們和“常規”物質幾乎不發生任何相互作用。科學家們之所以知道宇宙中存在暗物質，並不是因爲真的“看見”了暗物質，完全是通過看不見的暗物質對可見物質的引力效應間接地獲得了它們存在的信息。幾十年前暗物質首次被科學家提出時，還只是一個理論性的假設，當時的暗物質猜想在科學界也是個很有爭議性的命題。隨着時間的推移和科學的發展，特別是前面講的不少觀察證據，暗物質存在的證據逐漸被接受，而且計算出暗物質的質量遠大於可見物質質量。

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暗物質之間、暗物質和常規普通物質之間都存在引力作用。引力使數百上千的星系聚集起來，形成星系團。另一方面，大量物質的聚集又形成了巨大的引力作用，背後遙遠星系發出的光線經過其附近時會發生彎曲，從而形成類似透鏡的效應。我們可以利用這種物理上的引力透鏡效應作爲測量手段來很好地觀察尋找暗物質，依照背景星系光線被彎曲的程度來計算光線經過的星系的質量，從而估算出暗物質的質量。科學家們不辭勞苦地對千萬個星系逐一測量，得到宇宙中的暗物質分佈。總而言之，不管物質“暗”與“不暗”，只要有質量，光線就會被彎曲，並可通過彎曲的程度獲得質量的分佈。科學家們以此發明了一種“引力透鏡質量分佈成像”（gravitational lens mass tomography）法，繪製出宇宙中暗物質的分佈。

另外，通過宇宙背景輻射測量也可以得到暗物質和暗能量的比例。2009 年，普朗克科學探測衛星發射升空。普朗克空間探測器主要對宇宙背景輻射進行觀測。通過宇宙背景輻射測量得到的暗物質的比例與之前有所不同。圖1.2.9 給出了普朗克空間探測前後宇宙中暗物質所佔的比例。依據普朗克空間探測器的測量，目前普遍認爲整個宇宙中，暗能量佔68.3%，暗物質佔26.8%，其他可見物質僅爲4.9%，即在所有物質中，詭異的暗物質竟然佔了85% 。

圖1.2.9 宇宙中暗物質所佔比例（a）普朗克測量前的比例；（b）普朗克測量後給出的最新比例

暗物質在宇宙中的分佈是人們十分關心的問題，也是科學界的重要課題。螺旋曲線測量結果顯示，星系中暗物質的分佈似乎像比較均勻的“暈”。當代的大型望遠鏡採用了電荷耦合器件charge coupled device，（CCD）技術，可以探測到更加微弱的光線，觀察到“弱引力透鏡效應”，這使得遙遠星系的圖像看起來呈現橢圓形。利用這些星系扭曲的圖像，再和哈勃太空望遠鏡（HST）拍攝的遙遠星系團的可見光圖片作對比，就能得到暗物質的具體位置，從而構造出分辨率更高的暗物質分佈，並可繪製出長達十億光年的龐大暗物質分佈圖。

研究人員發現：第一，宇宙中暗物質無處不在。星系內部充滿着暗物質，即便是宇宙中最明亮的星系內部也存在着暗物質。第二，從大尺度看，宇宙就像由衆多星系構成的龐大的、呈現爲絲狀或卷鬚狀的“宇宙網”，暗物質分佈在“宇宙網”狀結構中空曠的“網眼”內，將網上的千萬個星系相互“黏結”在一起。“宇宙網”由暗物質維繫在一起，沒有它的存在，宇宙或將不會以現在的狀態存在。類似於暗物質和可見物質在萬有引力的作用下匯聚到一起，在暗物質比較集中的地方更容易吸引可見物質，從而協助星系和星系團的形成。當然，暗物質和可見物質一樣也可以密集在一起組成星系，不過與普通的正常星系不同，暗物質星系中沒有任何恆星發光，只能通過“引力透鏡”來發現它。