星係為何不會「散架子」？原來除了萬有引力，還有暗物質的作用

在宇宙中，充斥著各種各樣巨大的天體。它們的質量如此之大，讓我們的語言都顯得匱乏。比如太陽的質量，大約是2000億億億噸，而宇宙中到處都有比太陽大得多的天體，我們只能用太陽質量作為單位來衡量。比如星系，通常都是太陽質量的幾千億倍，而宇宙中至少有幾千億個星系。

儘管如此，這些可見物質也僅僅佔了宇宙總質量的很可憐的一小部分，大約是4.9%，另外還有26.8被暗物質所佔據，68.3%被暗能量所佔據。

那麼，暗物質和暗能量究竟是什麼？它們之間有何關聯和區別呢？

早在1922年的時候，天文學家卡普坦的著作《首次嘗試恆星系統的排列和運動理論》提出了透鏡狀的島宇宙概念，描述了他認為的銀河系。在這篇著作裡，他首次提出了關於暗物質的猜想。

不過，後來的科學家們雖然有所嘗試，但都沒有滿意的結果，暗物質的概念一度陷入困境，讓人感到它不過是卡普坦為譁眾取寵而提出的概念。

直到1970年，天文學家魯賓和福特對仙女座大星系的旋轉進行測量時，才有了新的突破。計算、觀測以及理論都過於複雜，我們簡化來說：對於天文學略有了解的朋友都知道，在一個天體系統中，距離質心越近的天體，公轉速度越快，反之則越慢。放在太陽系裡，就是克卜勒行星定律，距離太陽最近的水星速度最快，海王星最慢，如上圖所示。

但是，他們在觀測仙女座大星系的天體時，並沒有發現外圍的恆星比內側的「同胞」們慢很多，而是在很大的範圍內，都保持著步調的高度近似。如下圖所示，白線是實際測量出來的數據，距離中心5萬光年的恆星和10萬光年的恆星幾乎公轉速度一致（注意這裡說的都是線速度）。包括後來天文學家們對該星系外圍氣體的速度分布的觀測，也是差不多的結果。

看起來，就像是有什麼東西把內外恆星全部束縛起來，才能達到這樣的效果。而這個束縛起眾多天體的，極有可能就是當初卡普坦所說的暗物質。

當然了，這個說法看起來有點像科學家懶得分析而編造一個概念來應付工作。但實際上，不止這一個觀測結果指向暗物質。

愛因斯相對論告訴我們：光線會在強大引力下扭曲。這樣一來，如果我們某個方向上有兩個天體，那麼更遠的天體發出的光可能會被近一點的天體引力所扭曲，射到地球，使我們繞過這個「遮擋物」而觀測到後面的天體，這叫做引力透鏡效應，而光線的扭曲程度和遮擋物的引力——也就是質量——成正比。

通過這個特點，我們不僅僅可以看到後面的天體，而且可以通過光線的扭曲程度來分析遮擋物的質量。結果發現，這樣計算出來的質量，比其他方法的計算結果要大。

當然，導致這個現象的可能性也不止一個。但綜合這些可能性以及讓星系天體公轉速度一致性的可能性的分析，交集非常的小，其中就包括暗物質。

根據運動速度的不同，科學家又把暗物質分為熱暗物質、溫暗物質和冷暗物質。當然，三種暗物質到底是啥，誰也不知道。

不過，科學家還是有些候選者的。

目前來說，熱暗物質的最佳候選者，就是中微子。中微子是一種非常特別的輕子，質量非常輕。因此，當它「飛」起來的時候，幾乎可以達到光速。而且，中微子和其他物質的反應也極其微弱，號稱宇宙中的「隱身人」。而且，宇宙中含有巨量的中微子，據科學家估計，每立方米的空間就有上百億個中微子。因此，儘管中微子極輕，但總質量可能就已經和全宇宙可見物質抗衡甚至更多了。甚至可以說，每秒鐘就有不計其數的中微子「刺穿」你的身體，不過好在它極小，因此你始終毫髮無損。

溫暗物質，是三種暗物質中最「冷門」的一個，研究相對較少。目前來說，溫暗物質的可能候選者是惰性中微子。但是，即便是所謂的惰性中微子，也始終「猶抱琵琶半遮面」，甚至有科學家認為，它根本就不存在。

相對於前兩者，冷暗物質才是暗物質中最重要的。目前科學家認為，宇宙中的暗物質中大部分都是冷暗物質。但是，冷暗物質的存在與否，也在遭受著質疑，沒有人能完全推翻、也沒有人能完全證實它的存在。

暗物質如此之神秘，宇宙中還有比它更神秘的，那就是暗能量了。那麼，暗能量又是什麼？它與暗物質有何關聯呢？我們下一期再介紹。