Question

暗物质是真实存在的吗？

Answer 1

当我们眺望明净的夜空时，我们看到数不清的星星。这些明亮的星体既有银河系中的恒星，也有离我们十万八千里的遥远星系。 这些天体组成了宇宙中所有的发光物质。 通过各种天文望远镜，我们可以观察到这些天体发出的光线。某些望远镜能够观测到数百万光年那么远的光线，这其中就有赫赫有名的哈勃望远镜，它可以捕捉到134亿光年外的信号 ^[1] ！

所有天文望远镜都可以观测由天体发出的电磁波谱。 科学家们利用波谱中的不同波长来得到天体的关键信息，比如距离、年龄、大小、形状等等。某些波谱信息还可以用来解读我们宇宙的物理规律。但是，如果宇宙中有某些物质不会发光、或者其发出的光线不在已知的电磁波谱范围里，那么天文望远镜就无能为力了。因为这种奇怪的物质不发光，所以科学家们称之为“暗物质”。

一些科学家，尤其是天体物理学家，花费了大量的心血来提出暗物质组成的理论。虽然暗物质不发光（任何波长的光！），但它们可以被万有引力所影响。虽然天体物理学家还不能解释暗物质是什么，但至少现在他们可以肯定暗物质不是什么。

首先，暗物质占据了宇宙约 80% 的质量 ^[2] ，也就是说暗物质几乎是所有常规物质质量总和的四倍！除此以外，科学家们还找到了更多不可思议的事情——

我们刚刚说过，引力可以影响暗物质， 而暗物质的质量也可以影响其它天体的运动 。

什么是引力？在地球上，苹果会落到地面上。在太阳系中，太阳的质量占比最大，其它行星都围绕着太阳旋转：水星和金星离得近，绕太阳的速度也最快；离太阳越远的行星（如天王星、海王星），绕太阳的速度也越慢。根据万有引力定律，离开太阳越远，其引力也越低，为了避免转远或转近，行星必须移动得更慢才行。

对于不同星系，也可以这么考虑：假设星系中更亮的部分（比如恒星）占据了绝大多数的质量，那么这绝大多数的质量几乎都在靠近中心的位置，而在星系边缘暗淡的地方则不应该有很多质量。这样，每个星系中离中心更近的物体会比离中心更远的物体转的更快，就像我们太阳系一样。

如何验证这样的假设呢？科学家们测量了一个遥远的自旋星系（就像我们所在的银河系），绘制出了不同天体的速度和它们到星系中央的距离。但是，结果却不像科学家们想的那样——离星系较远的一些天体的速度远远快于理论预测的结果（图1）。 从引力的角度，这只能说明星系边缘的质量要高于星系中央的质量，而这种质量是我们无法通过电磁波谱观察到的（因为它们不发光），因而可能存在着暗物质影响着这些天体。

暗物质存在的证据并不是近几十年才发现的。 回到1933年，一名瑞士天文学家 Fritz Zwicky 最早发现暗物质的存在。他研究了 Coma 星团里上千颗恒星发出的光（图2），并用两种方法测量了它的质量：一种是通过运动速度，这可以通过发光的偏移来计算；另一种通过发光亮度来计算。然而，通过速度计算得到的星团质量却要比亮度计算结果高出数百倍！

由于这些多出来的物质没有发光，Fritz 认为， “如果这能被证实的话，我们将得到非常惊讶的结果：暗物质的存在量比发光物质大得多” ^[3] 。而不久之后，Virgo 星团的数据也获得了类似的结果。但是，由于当时的测量技术不如现代的技术精确，这种“宇宙被某种未知暗物质所支配”的争议性想法直到近 50 年后才被科学家们所接受。

暗物质存在的第三个证据来自对 Bullet 星团的研究（Bullet 得名于两个星系发生了碰撞），天文学家使用了一种新的测量天体和星系质量的方法——引力透镜 ^[4] 。上文说过，引力可以影响周围物体的运动；实际上， 任何物质的质量都会影响其周围空间的密度，当光线穿过这个高密度的空间时，光线会发生弯折 。

有点难以理解？那让我们来想象一张拉直的床单，床单四周固定、中间平展地摊开。假设这张床单代表一个空间。这时候，我们在床单上放一个球——自然而然地，你会想到，床单会被这个球拉伸，形成一个下凹的窝。质量就像这样的一个球：当空间（平展的床单）中存在一个物质（球）时，其质量会拉伸周围的空间和时间；当光线在通过这样拉伸的空间时，它将不再沿直线传播，而是会沿着弯曲的表面前进（就像弯曲的床单一样！）。 物体的质量越大，空间就越是拉伸，光线也弯曲得越显著。 那么，我们是不是可以通过观察天体周围光线的弯曲程度，来计算天体的质量？引力透镜就是通过这样的原理来测量天体和星系的质量。

通过引力透镜，科学家们确定了 Bullet 星团的总质量，包括其包含的暗物质 ^[5] 。图 3 展示了 Bullet 星团的大部分质量并不分布在 X 光的来源处——这意味着这些质量我们看不到。因此，这个星团更多由暗物质而不是常规物质所组成。

科学家们已经提出了各种理论，试图去阐明暗物质的组成。有的科学家认为暗物质就是常规物质，只是它被难以检测的其它物质所干扰，比如较大的行星或者黑洞。然而，这一种假说与许多科学观察不符。

到目前为止， 科学家们已经确定了暗物质的至少一种组分：中微子。 中微子是一种不发光的微粒，不过它只能占据暗物质的一部分，因为它们太轻，而且在宇宙刚刚形成的时候，它们的运动速度太快了。这样一来，也许有别的粒子亟待发现，而其中两种最有可能组成暗物质的粒子包括 大质量弱相互作用粒子（WIMP） 和 轴子（axion）。这两种粒子目前还仅存在于理论中，而寻找它们的实验也正在进行中。

暗物质组成了宇宙中63%的物质。如果我们能解释暗物质的组成，我们就能对宇宙的起源和形成有更多的认识。全世界各地，包括位于瑞士的大型强子对撞机，正在开展各种各样的实验，来研究暗物质组成的微粒的各种性质。让我们期待天文物理学和粒子物理学的更多发现！