這種「看不見」的物質佔據了近1/3的宇宙，科學家已經找了它100多年 | 科學加

「看不見」不代表不存在。為了尋找這個「看不見」的物質，科學家們已孜孜不倦找了100多年。如果它真被「找到」，一切可能都要改寫。

文/記者 劉辛味 編輯/吉菁菁

新媒體編輯/陳炫之

宇宙學家們篤信，我們的宇宙誕生於一個無限小、充滿能量奇點的大爆炸，在廣袤的宇宙之中，除了4.9%的普通物質，還存在著約佔26.8%的「暗物質」。暗物質與普通物質有弱相互作用，但是不發光，不發出電磁波，不被我們所見。

既然「看不見」，如何能確定其真實存在呢？從人類「發現」暗物質到踏上尋找它的漫長之路，回望這段歷史，一切都並不容易。

▲11月30日，《自然》雜誌報道了中國暗物質粒子探測衛星「悟空」的首批探測成果：「悟空」測量到電子宇宙射線能譜在1.4萬億電子伏特（TeV）能量處的一個「拐折」。但這個觀測結果也僅僅是讓我們距「發現」暗物質又近了一步。「悟空」衛星資料圖片（圖片來自網路）

▲自從20世紀30年代，科學家們就開始尋找暗物質，但至今為止仍未發現它的「芳蹤」。關於暗物質我們還需要找多久？（圖片來自網路）

暗物質的發現要從引力先說起，傳說中蘋果從樹上掉下引發了牛頓對引力的思考，為什麼地球能圍繞太陽旋轉而沒有落到地面。引力與兩個星體的質量和距離有關，引力讓天體穩定的運動。通過萬有引力定律，科學家發展了天體運動學理論，預測天體的存在以及解釋它的運動。牛頓引力定律最著名的例子可能是天王星之謎和海王星的發現。引力也最終導致了認定暗物質的發現。

天王星之謎和海王星的發現

1821年，法國天文學家瓦布德（Alexis Bouvard）根據當時觀測資料和天體運動學理論計算了天王星的運動軌跡，結果發現了很大的問題。他算出的軌道運動與觀測不符，而且遠超過誤差允許範圍。對當時的天文學家來說天王星的運動是一個謎。為了解釋，科學家一方面開始對牛頓力學發展的天體運動學理論提出質疑，並嘗試修改。另一方面提出存在看不到的「暗」衛星或行星，它們的引力作用影響了天王星的運行軌跡。

20年後，當時年僅22歲的天文家亞當斯（John C.Adams）開始思考用牛頓引力理論範疇之內解決這種「暗」星體。1845年，亞當斯得出了一些結論。與此同時，法國天文學家勒維耶（Urbain Le Verrier）也開始獨立的計算這顆未知天體的運動。他們各自提出在比天王星更遠的天區還有顆行星。1846年，柏林天文台的天文學家加勒（Johann G.Galle）得知此事，立即進行觀測，很快就發現了一顆新行星，就是後來被命名為海王星。儘管對於預測的優先權在當時有過激烈的爭論，我們今天已經認定亞當斯和勒維耶同時各自獨立作出的成果。

海王星的發現是牛頓力學一次偉大的勝利。如果繼續相信主宰天體運動的引力理論是正確的話，如今的暗物質假設就是當年的「暗」行星。

▲海王星的發現是牛頓力學一次偉大的勝利（圖片來源：National Geographic）

暗物質的早期歷史

19世紀後期，天文攝影給人們展示了宇宙中的黑暗區域，科學家也發現恆星並不是均勻分布的。科學家們想知道這些黑暗區域是完全沒有發光的星體，還是有物質吸收或阻擋了他們對恆星的觀測。1884年，英國物理學家開爾文勛爵提出了一種氣體模型，把恆星當成氣體粒子，可以在引力的作用下得出星系的大小和恆星的速度分布。通過這種方法他得出了銀河系的總質量，他又計算了所有能看到的恆星的總質量，發現前者大於後者。兩者能比較的意義在於，恆星佔據了天體中極大的質量，比如我們生活的太陽系，太陽的質量佔據整個太陽系質量的99.8%。所以開爾文勛爵認為存在不發光的恆星，他在一次學術報告中說：「我們所知道的恆星，或許它們大多數是『黑體』」。

▲龐加萊（Jules Henri Poincaré）是一位真正的大師，也是第一個寫下「暗物質」一詞的人，他的研究至今仍有影響。（圖片來源Timetoast）

在真正確定暗物質存在之前，還有幾人的工作要記錄在暗物質發現的歷史中。1906年法國數學家和物理學家龐加萊在回應開爾文勛爵的工作時，表示氣體理論給他留下了深刻印象。他直接用法語寫下了「暗物質」一詞，不過他認為暗物質不存在，即便存在也比發光物質少。恆星死亡後是暗物質嗎？這位偉大的科學家並沒有解決這個問題。

1922年時，荷蘭天文學家卡普坦（Jacobus C.Kapteyn），在研究恆星速度的時候假設了暗物質的存在。卡普坦一生的工作極大地推動了對銀河繫結構的研究，他的學生奧爾特（Jan H.Oort）後來發現了銀河系的懸臂結構。而奧爾特在1932年時研究太陽運動時候加入了暗物質，並由此計算了太陽附近的物質總密度以估計暗物質的密度。他在卡普坦的基礎上更進一步，做了很多開創性的工作。

顯然，他們在暗物質的早期歷史做了基礎性的工作，暗物質從純粹的看不到的區域變成了去了解代表黑暗的物質，但他們只認為這是不發光的普通物質，還不是我們現在意義上理解暗物質。

▲奧爾特是射電天文學的先驅，他對銀河系的研究做出了顯著貢獻。歐洲航天局稱他是二十世紀最偉大的天文學家之一。(圖片來源：gettyimages)

暗物質的新證據

1933年，瑞士天體物理學家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）發現了一個奇特的現象，大尺度的星系團（由引力束縛的巨大星系集合體）中眾多星系的相對運動速度非常高，為了滿足這樣大的速度運動，所需極大的質量提供引力，否則它們就會脫離引力束縛四散分離。

茲威基把觀測到的發光體質量計算出來，發現所需質量是他觀測到的發光物質總量的400倍。為了解釋這一現象，茲威基假設星系團中還有我們看不到，但具有引力作用的新物質，而且質量足夠大讓它們不會四散分離。茲威基通常被認為是提出暗物質的第一人，因為他給出了比之前更具普遍意義的暗物質存在證據。他在考慮暗物質組成的時候，想到的是冷星、宏觀或微觀固體或氣體，或許是全新的物質。

茲威基是一位獨立的思考者，他對事物時常有著令人印象深刻的洞察力，但偶爾也有些瘋狂的想法，這個聞名遐邇的才子被同行認為是個怪人，他自己也清楚自己的性格，所以沒人願意認真對待他的工作。他超越他自己時代的理論在40年後，才重新獲得了肯定。

▲弗里茨·茲威基發現了「暗物質」，發現了超新星，預言了中子星的存在，在天文學理論和觀測上做出了很多重要貢獻。但由於他古怪的性格，當他還在世的時候，就像「暗物質」一樣，始終被人們所忽視。（圖片來自網路）

20世紀70年代，美國女天文學家維拉·魯賓（Vera Rubin）發現了暗物質存在的另一個證據。她與天文學家肯特·福特（Kent Ford）合作研究銀河系的運動。銀河系是一個螺旋星系，恆星和氣團圍繞銀河系的中心轉動，運動速度與到銀河中心的距離有關，從而能繪製一副旋轉曲線。就像觀測到太陽系中距離太陽最近的水星運動最快，距離最遠的海王星最慢，距離銀河系中心較遠的恆星運動較慢。一般的旋轉曲線應該隨著距離越遠，線條越來越低。

▲旋轉曲線，上方的觀測數據，下面的是理論上的推算曲線。（圖片來源wiki）

▲這是太陽系的旋轉曲線，最快的是水星，最慢的的冥王星已被列為小行星。（圖片來源chemphys.armstrong.edu）

魯賓驚訝的發現，她繪出的曲線沒有傾斜，不管恆星距離星系中心有多遠，它們圍繞的行星中心公轉的速度都是一樣的！這種情況完全不滿足已經被無數次證明的引力定律。可能的解釋是，存在一些沒有考慮到的物質他們的引力作用控制著那些恆星的運動。魯賓還計算出，普通物質僅僅占所需質量的1/6，如果沒有暗物質的幫助，恆星將飛出星系。到上世紀80年代，科學家們觀測了幾乎所有螺旋星系，都發現了相似的現象。而對於非螺旋星系，如茲威基研究的星系團，以及星際氣體的運動，動力學測量結果也需要暗物質的加入。

魯賓的發現似乎給了暗物質存在無可辯駁的證據，這一發現也促使科學家們改變了暗物質組成的設想，這個構成宇宙大部分的物質我們完全不了解。

▲40年代時，魯賓在進行天文觀測，這位美女天文學家在那個時代也遭遇很多困難。魯賓在2016年去世，很多科學家認為欠他一座諾貝爾獎。（圖片來源：AstroPT）

引力透鏡「看見」暗物質

愛因斯坦的廣義相對論中告訴我們，大質量天體周圍的時空是彎曲的，時空曲率產生了引力。所以當光線通過大質量天體周圍時，本來直線傳播的光被引力彎曲了，類似於光線通過凸透鏡後被彎曲聚焦，而彎曲程度與天體質量有關。這在物理學上被稱為引力透鏡原理。所以我們從地球上觀察到的目標星系的光線是經過大質量天體後被彎曲後的光線，如今的科學家可以這些光線的成像推算出星系的大致分布，計算質量等數據。1979年引力透鏡效應首次發現後，至今成為了重要的天文學觀測手段。

暗物質也在充當大質量天體，通過引力透鏡方式最終計算出的星系質量遠比一般天文學觀測方法測量的數值高。後者通常需要做一些動力學假設，引力透鏡效應則與這些假設無關，能直接測得發光物質的質量，所以引力透鏡效應被認為是直接看到暗物質的方式。科學家們因此發明了一種引力透鏡質量分不成像的方法，繪製出了宇宙中暗物質的分布。

目前暗物質占宇宙總量的26.8%是2009年普朗克衛星通過宇宙背景輻射測量出的，這是另一種計算暗物質含量的方式。

▲引力透鏡效應，我們看到的圖像是經過彎曲後的圖像。（圖片來源:NASA）