原創｜「暗物質」的概念是如何提出的？

作者：王錚

中國科學院國家空間科學中心

空間天氣學國家重點實驗室

關於空間天文科學研究發展，現在有個說法叫「兩暗一黑三起源」:「兩暗」是指暗物質（dark matter）、暗能量（dark energy），「一黑」是指黑洞，「三起源」是指宇宙起源、天體起源和宇宙生命起源。2015年12月17日，中國首顆暗物質粒子探測衛星DAMPE（「悟空」）發射，其目的就是宇宙中「暗物質」的探測。

暗物質粒子探測衛星「悟空」

既然要去找，就說明我們認為這種東西「存在」。那暗物質是什麼東西，為什麼認為宇宙中存在著暗物質？

早在1933年，天體物理學家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）研究了「后髮座星系團」中8個星系時的質量。他估計星系團的質量採用了兩種不同的方法：第一種方法是對大量星系的運動速度進行分析，因為速度與引力有關，所以可以間接估計出星系團的質量，得到質量稱為「力學質量」。另一種方法是通過星系團內星系的亮度來估計質量，因為恆星質量越大就越亮，這樣得到的質量稱為「光度質量」。

在估計了行星等一些看不見的質量之後，假如遙遠星空的質量大致是「所見即所得」，那這兩個質量應該差不多。然而，計算出來的結果是力學質量比光度質量高了400倍左右。換言之，力學質量里的絕大部分是我們看不到（不發光）的物質。如果沒有這部分「看不見的物質」的作用，那麼這個星系團的引力就不足以將其中的星系像現在這樣束縛在一起。

1936年，天文學家辛克萊爾·史密斯（Sinclair Smith）討論了他在「處女座星系團」中注意到的相同情形，提出存在「星系團內部大質量的星雲間物質」。

而且，即使把氣體、塵埃、等離子體、類恆星天體和行星計算進來，也只增加了15%的質量，遠遠不夠填補「空缺」。

相比用光度推測的質量計算的結果，「后髮座星系團」中星系跑得太快了

20世紀60-70年代，女天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin）對「仙女座大星系（M31）」的星系旋轉曲線進行了測量，簡單來說就是測量距離星系中心不同半徑處物質的旋轉速度，得到如下的圖。圖中橫坐標是距離星系中心的距離，縱坐標為旋轉速度，紅色是理論計算的曲線，白色是實際觀測的曲線。

先說理論計算。假設星系中心的巨大質量的物質都像太陽一樣發光（像地球之類的反射光的行星質量相對小很多，但也可以進行估計），通過測量光的分布，猜測一些星系的年齡和恆星形成率，可以推算出來光度-質量比，也就是根據光度推測大概的質量分布。按照萬有引力定律，理論上物質離中心越遠轉的越慢，根據光度推算的質量分布來計算，物質的旋轉速度隨距離的變化應該那條是紅色曲線。

然而，實際觀測出來的是圖中的白色曲線：離星系中心不同距離處的氣體，圍繞中心旋轉的速度都差不多，星系外圍的繞轉速度明顯比計算得到的要快很多。她又觀測了其他星系，1978年的論文中他們觀測的其他8個星系的旋轉曲線全部都是平直的。而隨後其他射電天文學家們對25個其他星系的觀測中，有22個星系的旋轉曲線都是平直的。科學家們有理由認為，宇宙中存在著我們看不到的物質，為彌散於星系各處的氣體提供著引力。

星系外圍的繞轉速度明顯比計算得到的要快很多

同樣在20世紀60年代，普林斯頓的物理學家Jim Peebles和Jeremiah Ostriker對銀河系建模，計算髮現旋轉的銀河系很不穩定，很快就會分裂或者變成塊狀。只有看到不到的質量和可見的質量大體相當時，銀河系才能保持穩定。1973年他們發表了一篇文章，稱銀河系以及其他旋渦星系的星系暈質量可能極其巨大。他們推測普通星系的質量甚至可能一直被低估了10個數量級以上。

在這之後，科學家們在多個方面發現越來越多的證據，證明有大量的「觀測之外」的物質質量，甚至比我們「看得到」的還要大。20世紀80年代，科學家正式提出了「暗物質」這個名稱。

而我們越來越多的探測暗物質，則是透過所謂「引力透鏡」，也即是因為有巨大質量物質的存在，使得光線發生彎曲（廣義相對論），那麼通過研究我們看到的被引力透鏡彎曲了的背景星系，就可以判定造成光線彎曲的前景星系的質量分布。如下圖中的那些弧形，就是引力透鏡效應的結果。經過計算，前景星系的質量遠大於用光度推算的質量。這種方式也證實了暗物質之間的相互作用比正常物質要弱的多。

引力透鏡

簡單總結來說，因為在一些地方，我們算出來需要的質量，比能看到的質量多得多，需要一些「說不清、道不明」的物質，科學家們所以提出了「暗物質」的概念。雖然不知道這些暗物質是什麼，但它就是存在。

其實有看不見的物質，本來就在意料之內，就像在遙遠的太空我們也看不見我們的地球和水星、火星等其他星球一樣。但是暗物質是不一樣的——實際計算和觀測發現，「看不見」的質量遠遠比想像的大得太多，很難用一般的理論推測去解釋，故而才會被重視並提出為「暗物質」。根據天文學的各種推算，組成星系團的質量中，星系只佔了百分之幾，星系際介質約佔20%，暗物質的比例則高達70%～80%。

暗物質的基本性質可以概括為：參與引力相互作用、但不參與電磁相互作用。暗物質的所謂「看不見」，不單單是說用我們的肉眼在可見光波段看不見，而是說不論探測什麼波段的電磁波，比如紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等，都看不到它。現在科學家們認為暗物質確實是某種粒子，理論上有幾個候選粒子，實驗上也在尋找，都需要更多的證據來證實。我國發射的暗物質衛星「悟空」，就是從天文觀測上尋找，通過測量宇宙射線中正負電子之比，試圖找出可能的暗物質信號。