互动科普

暗物质本质上是不可见的。我们无法用望远镜观测，也没有粒子物理学家有幸成功地用实验观测到它的存在。

所以，为什么我与上万名天文学同行一样，相信宇宙的质量大多由暗物质构成，而不是组成了恒星、行星与其他所有可见天体的“物质”呢？

为了回答这个问题，你需要理解暗物质所能做的与不能做的事，了解它在宇宙中潜伏何处，并意识到“暗”只是这个迷题的开端。

难以察觉的影响

暗物质的故事始于速度与引力。宇宙的每个角落中，都有物体在引力的影响下沿轨道运行。就像地球环绕太阳一样，太阳也同样环绕着银河系的中心。

为了维持在轨道上的运行，天体所需的速度是一个由质量与距离描述的函数。例如，在太阳系中，地球以每秒30公里的速度运行，而太阳系边缘的行星仅以每秒数公里的速度施施而行。

我们的银河系是如此之庞大，以至于距银心26700光年之外的太阳也以230公里每秒的疾速前行。但是，当我们继续远离银河系的中心，群星的环绕速度几乎不变。这是为什么呢？

与质量集中在太阳本身的太阳系不同，银河系的质量分散在数千光年之间。距银河系中心越远，其半径内囊括的星体及气体越多。是增加的质量导致了边缘星体的高速吗？并不尽然。

在上世纪六十年代，美国天文学先驱薇拉·鲁宾（Vera Rubin, 1928 – 2016）测量了仙女座星系（一个毗邻银河系的星系）距其中心70000光年处的星体环绕速度。令人惊奇的是，尽管这一距离早已超出了仙女座星系大多星体与星际气体存在的范围，其环绕速度仍保持在大约350公里每秒。

这一现象也不局限于独立星系中。早在上世纪三十年代，瑞士裔美国天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky, 1898-1974）就发现星系团中的星系运动速度要远快于预期。是什么改变了星体与星系的速度？一种可能是，大量不可见的物质存在于远超出星体与气体的广阔空间中，而这种物质便是暗物质。的确，兹威基、鲁宾与其后许多研究都证明了宇宙中的暗物质要多于物质。

仙女座星系

难以置信的是，我们无法探测到暗物质的事实反而提供了一些关于其性质的线索。暗物质必然很少与自身及其他物质有除了引力之外的相互作用，否则，我们就会观测到光辐射及其它粒子的相互作用

由于暗物质几乎只与引力相互作用，它有一些神奇的特性。一团炽热的星云会以辐射光的形式散失能量，并逐渐冷却；而一团足够大、足够冷的星云会在引力的作用下塌缩，并形成恒星。但是与之相对地，暗物质并不会以辐射光的形式损失能量。因此，普通物质会塌缩成高密度的星体，而暗物质则保持相对弥散。这解释了一个明显的矛盾：为何宇宙中的暗物质虽多，但是太阳系中的暗物质仅仅如同九牛一毛。

理论模拟的成功

由于暗物质几乎只受引力影响，其运动也较易于建模分析、模拟。自二十世纪七十年代起，我们就得到了关于计算暗物质结构数量的方程式。巧合的是，这个方程式也预测了宇宙中超大星系与星系团的数量。不仅如此，关于暗物质的模拟也描述了宇宙结构的发展。暗物质模型不仅符合数据，更有对于宇宙事实的预测能力。

但是，暗物质理论是否有其他可能性呢？我们由引力推理出了它的存在，但是如果我们对引力的理解就是错误的呢？例如，远距离上的引力或许比我们想象的更强？

有许多种意图替代暗物质的引力理论已经被提出，其中最为著名的例子是莫德采·米尔格若姆（Mordehai Milgrom, 1946-）提出的引力理论修正学说（Modification of Newtonian Mechanics, 一种对于传统牛顿引力的理论改良）。随之而来的问题是，我们该如何分辨暗物质与普通物质的引力带来的影响？或许，就从引力是一种“吸力”入手——如果暗物质并不存在，那么引力就会朝向传统物质；反之，如果暗物质占据主导地位，引力则会指向暗物质。

所以，找到正确的理论会很轻松，不是吗？

可惜的是，暗物质与普通物质大体上环绕彼此，难以分辨引力中心。但是，宇宙中仍有不少例外可供我们利用。当星系团高速相撞时，多组气体云与暗物质相碰撞；气体碰撞并聚拢为一体，而暗物质仍在引力影响下运动。

光线的偏折证明了星系团碰撞中暗物质的存在

我们应当如何计算相互碰撞的星系团中引力的影响呢？由于引力不仅作用于物质，也会对光造成相应的影响，我们可以利用变形的星系影像来追踪引力。在碰撞的星系团中，引力的中心指向暗物质理论中所在的位置，而不是普通物质。

时间的涟漪

暗物质的影响不仅局限于今天，更可追溯至大爆炸时期。

作为大爆炸的“余晖”，宇宙背景微波辐射充斥在整个宇宙空间中。在这个庞大的“火球”中，我们可以看到声波在等离子体中传播所带来的能量的涟漪。

这些声波来自于早期宇宙中引力、压力与温度的共同作用。暗物质对引力有贡献，但是却不像普通物质一样参与有关压力与温度的反应。所以，声波的强度决定于普通物质与暗物质的比例。与理论预测的结果相似，天文望远镜与天文卫星的观测证实了宇宙中暗物质的量多于物质。

所以，关于暗物质假说的讨论已然尘埃落定？暗物质的正确性毋庸置疑了吗？大多数天文学家认为，暗物质是目前许多宇宙现象最为简洁与合理的解释。尽管最简单的暗物质模型还有许多问题，例如银河系卫星星系[1]的实际数量与预测不符，但是这些问题都是暗物质模型值得讨论、改进的方向，而非致命的缺陷。

不论如何，我们仍未成功直接检测到暗物质。这并不会太困扰我，因为物理学中同样有历经数十年才得以直接检测的例子。或许当二十年后，我们仍未直接检测到暗物质的时候，我会对这个理论感到担忧。不过，当下，我愿意为暗物质的存在下注。

作者：迈克尔·布朗，蒙纳士大学天文学助理教授

翻译：张斯柘

审校：马一瑗

引进来源：the Conversation

引进链接：https://theconversation.com/why-do-astronomers-believe-in-dark-matter-122864

本文来自：环球科学

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