當今宇宙學的未解之謎：暗物質是星系保持完整形態的關鍵因素

【作者：黃姤】

研究宇宙學，利用大爆炸理論分析宇宙的演化，需要有堅實的觀測技術，這個技術今天已經非常精確地建立起來了，它包括「宇宙微波背景輻射」、「宇宙膨脹」以及宇宙裡面比較輕的「元素的豐度」。這是對大爆炸理論三個最重要的觀測支持，在這個基礎上面可以從理論上進一步探討宇宙未來究竟會向什麼方向變化，這裡有一個前提是必須對宇宙做一個詳盡的完整檢查，必須知道宇宙含有有多少的物質，多少的能量。
2015年中國發射了 「暗物質粒子探測衛星」，這個衛星在解析度、在探測極限指標上都達到了國際領先的水平，它的目的是為了探測宇宙中的「暗物質粒子」所發出來的信號。

圖解：暗物質粒子探測衛星·「悟空號」

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當今宇宙學最大的未解之謎

要了解宇宙未來會變成什麼樣，就必須先要知道宇宙包含多少的物質和多少的能量，而對於這些問題的研究先從「仙女座星系」開始。「仙女座星系」和「銀河系」一起處在一個稱為「本星系群」的星系集團裡面，「仙女座星系」是在轉動的，星系的轉動可以幫助我們去了解在星系裡面包含了多少的物質。

圖解：「仙女座星系」

1970年女天文學家「魯賓」開始對仙女座星系進行觀測，魯賓與她的一位光譜學同事「福特」一起合作來觀測星系的轉動，如果望遠鏡的性能足夠好不僅可以測量星系整體離我們遠去或者靠近的速度，還可以把星系裡面不同區域半徑的速度測出來，測出這個速度之後就可以知道，在距離星系核心不同半徑的區域物質是怎麼繞著中心轉動的，這裡採用的方法就是譜線的位移，如果星系的轉動是向我們靠近的，那麼這個區域產生的譜線就會發生「藍移」，如果是背離我們遠去的就會發生「紅移」。

圖解：仙女座星系譜線的「藍移」與「紅移」

利用譜線位移的辦法魯賓得到了仙女座星系的「轉動曲線」，這個轉動曲線就是隨著星系半徑的變化，它的轉動速度是如何發生變化的，魯賓發現即使是在半徑達到幾萬光年的時候，仙女座星系裡面物質轉動的速度也達到、甚至超過200千米每秒，這是一個非常高的速度，太陽系繞著銀河系中心的轉動速度也達到了200千米每秒。

圖解：仙女座星系的「轉動曲線」

仙女座星系轉動曲線與太陽系裡面行星運動的轉動曲線作比較，它們之間的差別是非常大的，太陽系裡面行星的轉動曲線遵循的是「克卜勒定律」，因為決定行星運動的主要是來自於太陽的引力，所以隨著半徑的增加軌道運動的速度在下降，但是仙女座星系的速度在很大的半徑區域保持平坦。如果仙女座星系所有的引力都是由星系裡的恆星所提供的，那麼在不同半徑的區域，仙女座星系裡面的物質轉動速度應該遵循恆星的分布距離所產生的引力，因此導致仙女座星系與銀河系的轉動曲線產生巨大的差別，所以要解釋觀察到的星系的轉動實現，就必須要有額外的引力，而這個額外的引力是來自於我們看不見的物質，並且提供的引力超過星系盤裡面恆星的引力，否則在那麼快的轉動速度下，星系就應該分崩離析了根本不可能保持一個完整的形態。

圖解：銀河系與仙女座星系「轉動曲線」對比

• 舉例說明：

就像我們去甩一塊用繩子綁住的石塊，如果石塊轉動得越快，那麼束縛石塊的繩子所施加的力就會越大，如果說石塊轉動得太快了，你都握不住了，石塊最終就會飛出去，對於星系來講也是一樣的道理。

假如仙女座星系的轉動速度是由星系裡面所有的恆星和氣體提供引力的，那麼仙女座星系就會分崩離析，只有把仙女座星系轉動速度假想為由「暗物質引力」提供轉動速度，才能與現實觀測的結果相吻合，這個就是暗物質來源的一個非常重要的觀測證據

圖解：右圖：藍色線是恆星和氣體提供引力的結果，虛線是「暗物質引力」提供引力的結果

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研究「暗物質」的先驅者

「暗物質」這個概念並不是魯賓提出來的，在她之前就有人探討過這個問題：

• 1922年「開普坦」在研究銀河繫結構的時候就發現，銀河系裡面恆星運動具有很高的速度。
• 1932年「奧爾特」的研究結果和「開普坦」的結論類似。
• 1933年「茲威基」在研究「后髮星系團」的時候發現這個星系團裡面的星系運動速度異乎尋常的高，如果光靠星系團裡面所有星系根本束縛不住它們，所以肯定有一些額外的物質來提供引力，使得這個星系團保持被束縛的狀態。
• 1939年「巴布科克」也得到了一些類似「茲威基」的研究結果，只不過這些結果雖然發表了但是並沒有引起大家的關注，因為當時人們認為暗物質似乎只是一個想像的、不可靠的一個觀念。

圖解：后髮星系團

即使是魯賓在1970年發表了她的工作之後，天文學對她的反響幾乎是沉默，因為沒什麼人真正意義上去思考這個問題，但是魯賓並沒有氣餒，所以在接下來的十年裡面不斷地對其他星系進行觀測，她一共測量了幾百個星系的轉動曲線，在1980年的時候她測量了21個漩渦星系的轉動曲線，她發現這21個漩渦星系的轉動曲線和仙女座星系的轉動曲線具有非常相似的特徵，她認為這些星系應該都具有暗物質的成分，這就提供了暗物質存在的有力證據。

自魯賓發表了21個漩渦星系的轉動曲線的研究成果後，天文學學界的研究者開始重視暗物質的存在了，於是對不同層次的天體進行了各種觀測，都發現了暗物質可能存在的線索。

• 舉例說明：

「子彈星系團」實際上是兩個星系發生碰撞的結果，也就是一個紅色的小星系穿過了一個藍色的大星系，紅色的輻射區域反映的主要是可見的物質，藍色的部分反映的是通過引力透鏡反推出來的暗物質的分布，這就是可見物質跟暗物質的分布景象，這是另外一個證明暗物質存在的證據，因為當星系發生碰撞的時候，正常的物質比如氣體會因為黏滯或者摩擦的作用，它們不會擴散到非常大的空間，但是暗物質的粒子因為跟正常物質沒有相互作用，所以它們的碰撞會導致它在更大的空間裡面分布,在這個基礎上人們得到了不同類型信息的質量和光度之比。

圖解：「子彈星系團」

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暗物質的特點

暗物質往往有一個誤解，以為暗物質是黑暗的物質，其實不是這麼一回事，我們通常講的黑暗往往是指一團物質，它會吸收光或者說它會遮擋光。但是暗物質實際上是透明的，因為它和光不發生任何的相互作用，暗物質其實就分布在我們周圍的空間裡面，但是我們絲毫看不到它們，也感受不到它們，只不過它支配著星系的形成和結構。

暗物質的另外一個特點是它只有引力相互作用，所以往往藉助於引力的效應去把它們的真面目揭示出來，通過引力透鏡現象能夠反演出星系裡面暗物質的分布。

圖解：星系裡面暗物質的分布

暗物質到底是什麼？

在歷史上有很多人對暗物質作出猜測以及各種的理論模型，在今天有一種可能性被大家更加地看好，這個可能性的英文名字叫做「Wimp」，它實際上是一種大質量的微觀粒子，它的性質到底是什麼目前還不是很清楚，只不過它的作用人們已經意識到了。

在宇宙大爆炸之後不久物質分布微小的不均勻性，發展放大之後形成了今天的星系和恆星，而這種不均勻性最早的起源就來自於暗物質分布的不均勻性，所以說暗物質對今天各種尺度結構的形成有著非常重要的作用。

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（黃姤）結語·測量暗物質

目前對暗物質的測量主要有3種方法：

• 第1種：在加速器上通過高能粒子的碰撞來模擬大爆炸產生暗物質的粒子，然後去觀測去研究它。
• 第2種：如果是在我們周圍的空間裡面確實有暗物質存在，或許有一部分的暗物質會和某些原子核發生碰撞，和原子核發生碰撞之後會發射光，可以通過對這些光的測量來研究暗物質的性質，測量這些光要避免其他粒子的幹擾，所以這樣的實驗往往是在地下進行的。
• 第3種：在空間去探測暗物質粒子相互碰撞之後所產生的光子。

通過以上任何一種辦法去測量到了暗物質存在的證據，就有可能對暗物質的本質進行限制，但是非常遺憾的是到目前為止還沒有得到任何暗物質的蹤跡。

探測暗物質的道路還有很長的路要走，魯賓因為她的傑出貢獻獲得了非常多的獎項，唯獨遺憾的是她沒有獲得諾貝爾物理學獎，所以有人為她抱不平，但是魯賓並沒有這麼看，她說：

「榮譽其實是過眼煙雲，但是我的觀測結果比我的名字更有意義，如果天文學家今後還在使用我的數據，這就是對我最高的褒獎。」

【作者：天體生物學·黃姤】

【編輯：太空生物學·黃媂】

【旁述：餘生】

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