暗物质 |“暗物质”的概念是如何提出的？

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中国科学院国家科学中心

空国家气象重点实验室

关于空之间天文科学研究的发展，有一句话叫做“二黑一黑三起源”:“二黑”指暗物质和暗能量，“一黑”指黑洞，“三起源”指宇宙、天体和宇宙生命的起源。2015年12月17日，为探测宇宙中的暗物质，中国首颗暗物质粒子探测卫星发射升空。

暗物质粒子探测卫星“吴空”

如果我们要去寻找，就意味着我们认为这种东西“存在”。暗物质是什么？你认为宇宙中为什么会有暗物质？

早在1933年，天体物理学家弗里茨·兹维基就研究了“拉古纳星团”中八个星系的质量。他用两种不同的方法来估算星团的质量:第一种方法是分析大量星系的运动速度，因为速度与引力有关，所以可以间接估算星团的质量，得到的质量称为“机械质量”。另一种方法是通过星系团中星系的亮度来估算质量，因为恒星的质量越大越亮，所以得到的质量称为“光度质量”。

在估算了行星等一些看不见的质量后，如果遥远的恒星空的质量大致是“所见即所得”，那么这两个质量应该是差不多的。然而，计算结果是机械质量比光度质量高大约400倍。换句话说，大部分机械质量是我们看不见的物质。如果没有这部分“看不见的物质”，这个星系团的引力将不足以像现在这样将星系结合在一起。

1936年，天文学家辛克莱·史密斯讨论了他在处女座星团中注意到的同样情况，并提出“星团中存在大量星系间物质”。

而且，即使把气体、尘埃、等离子体、类恒星物体、行星考虑在内，质量也只增加了15%，远远不足以填补“空的不足”。

与光度预测的质量计算结果相比，“落后星系团”中的星系跑得太快了

20世纪六七十年代，女天文学家薇拉·鲁宾测量了仙女座星系的星系旋转曲线。简单来说，她测量了距离星系中心不同半径处物质的自转速度，得到了下图。图中横坐标是离星系中心的距离，纵坐标是自转速度，红色是理论计算曲线，白色是实际观测曲线。

先说理论计算。假设一个星系中心的质量物质像太阳一样发光，通过测量光分布，猜测一些星系的年龄和恒星形成速率，就可以计算出光度质量比，也就是根据光度估算出大概的质量分布。根据万有引力定律，理论上离中心越远，物质旋转越慢。根据光度计算的质量分布，物质的转速随距离的变化应该是一条红色的曲线。

但是实际观测到的是图中的白色曲线:离星系中心不同距离的气体绕着中心以相同的速度旋转，绕着星系外围的旋转速度明显比计算的要快得多。她还观察了其他星系。在1978年的论文中，他们观察到的其他八个星系的旋转曲线都是直的。在其他射电天文学家观测到其他25个星系后，22个星系的自转曲线都是直的。科学家有理由相信宇宙中存在看不见的物质，这些物质为散布在整个银河系的气体提供重力。

星系外围的旋转速度显然比计算的要快得多

同样在20世纪60年代，普林斯顿物理学家吉姆·皮布尔斯和耶利米·奥斯特里克尔对银河系进行了建模，发现旋转的银河系是不稳定的，很快就会分裂或变成块状。只有不可见质量和可见质量大致相等，银河系才能保持稳定。1973年，他们发表了一篇文章，说银河系和其他螺旋星系的星系晕质量可能非常大。他们推测，普通星系的质量甚至可能被低估了10个数量级以上。

之后，科学家们在很多方面发现了越来越多的证据，证明存在大量“未被观测到”的物质质量，甚至比我们能“看到”的还要大。20世纪80年代，科学家正式提出“暗物质”这个名称。

我们越来越多地通过所谓的“引力透镜”来探测暗物质，也就是因为巨大质量物质的存在，光线发生了弯曲。通过研究我们看到的被引力透镜弯曲的背景星系，我们可以确定导致光线弯曲的前景星系的质量分布。下图中的弧线是引力透镜效应的结果。经过计算，前景星系的质量远大于光度计算的质量。这个方法也证明了暗物质与正常物质的相互作用要弱得多。

引力透镜

简单总结一下，因为在某些地方，我们计算出我们需要的质量比我们所能看到的多得多，我们需要一些“不清楚、不清楚”的物质，科学家们提出了“暗物质”的概念。虽然我们不知道这些暗物质是什么，但是它是存在的。

其实还有看不见的物质，这是意料之中的，就像我们在遥远的地方看不到我们的地球、水星、火星等星球一样。但是暗物质就不一样了——实际的计算和观测表明，“看不见的”质量比想象的大得多，很难用一般的理论推测来解释，所以被重视并提出了“暗物质”。根据各种天文计算，星系只占星系团质量的百分之几，星系间介质约占百分之二十，暗物质的比例高达70% ~ 80%。

暗物质的基本性质可以概括为:参与引力相互作用，不参与电磁相互作用。暗物质的所谓“不可见”，不仅是我们肉眼在可见光波段不可见，无论探测到什么波段的电磁波，如红外线、紫外线、X射线、伽马射线等，都是不可见的。现在科学家认为暗物质确实是某种粒子。理论上有几个候选粒子，他们也在实验中寻找，都需要更多的证据来证实。我国发射的暗物质卫星“吴空”就是通过测量宇宙射线中正负电子的比例来寻找可能的暗物质信号。

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