星系粘合劑

在我們的宇宙中，存在著一種看不見，摸不著的物質，構成它的物質粒子，此時此刻可能正穿過你和我的身體，但是我們根本察覺不到。雖然我們看不到它，但它的存在至關重要，我們的太陽系之所以可以繞著銀河系以240千米的秒速運動，就是它的存在。

如果它瞬間消失了，許多星系都會因此而解體。因此，它可以被認為是星系的粘合劑。它就是暗物質。

世界各國為了研究它，投入了千億美金的費用，在地球軌道上架設探測器，在地下數千米的礦坑中架設起最先進的科學設備來捕捉物質。因為，科學家相信對於暗物質的研究會給如今的科學家帶來新的革命。

那問題來了，暗物質明明是看不到的，為什麼科學家還如此堅信它的存在？

暗物質簡史

1884年，著名的物理學家開爾文勳爵，在觀測銀河系恆星繞著銀河系質心旋轉的速度分佈，他想通過這個辦法來估算銀河系的總質量。但是他當時就發現一個問題：

我們可到的銀河系內的恆星總質量要小於他所估算出來的銀河系總質量。

於是，他提出銀河系中存在的大多數天體可能是我們看不到的“黑暗天體”。隨後，著名的科學家龐加萊就把開爾文勳爵提出的“黑暗天體”命名為暗物質。

到了1932年，天文學家奧爾特根據他自己的觀測，就發現了和開爾文勳爵一樣的問題。於是，他就提出：

銀河系的質量要遠大於我們所觀測到的恆星的總質量。有大約一半的“質量”所對應的物體是我們看不到的。

隔年，也就是1933年，同樣是天文學大咖的茲威基正在研究后髮座星系團時，他結合后髮座星系團亮度、成員數量，發現后髮座星系團所能夠提供的引力並不能支持其成員保持如此高的運動速度。於是，茲威基就提出后髮座星系團的質量要比其可見成員星系的總質量要大得多。

這裡稍微解釋一下什麼是后髮座星系團。它是一個超大的星系團，擁有1000個以上的星系（已經被確認的）。

奧爾特和茲威基都是當時世界頂級的天文學家，但是兩人手頭有更重要的研究項目。於是，就把這個事情放諸腦後，去研究其他項目去了。

在後來的幾十年內，有許多科學家都發現了和開爾文勳爵、奧爾特、茲威基發現類似現象。比如1939年，就有天文學家巴布科克發現仙女座星系也出現了類似的奇怪現象。他在報告裡寫到，遠離仙女座星系核心的恆星的旋轉速度並沒有因為距離的遠離而逐漸減小，相反，它們保持著和核心區域的恆星旋轉速率差不多的速率。類似的現象在其他的許多星系都出現了，比如：NGC1620等星系。

那這有什麼奇怪的呢？

我們拿鏈球比賽來做個比喻，我們都有看過鏈球比賽，當運動員把鏈球甩起來，鏈球的速度達到一定程度之後，隨著運動員把鏈球的速度甩得越來越快。實際上，根據牛頓力學，運動員所需要用來拽住鏈球的力也越來越大。

同樣的道理，星系是依靠引力拽住星系中的恆星，因此，恆星離星系核心越遠，速度又要保持不變，那所需要的引力就得越大。就拿太陽系為例，我們通過理論計算，銀河系可見物質所能提供的引力，只能保證太陽以160千米的秒速運動，但科學家觀測到的速度卻是240千米/秒。這就說明，存在著額外的引力，才能保證太陽以如此高的速度運動而不會飛出銀河系。

這個問題也成為了一個謎團籠罩的天文學界，一直持續至今。

2006年，錢德拉塞卡望遠鏡就觀測兩個星系正在發生碰撞，科學家通過引力透鏡效應重構質量分佈，結果發現與對碰撞產生的炙熱氣體分佈並不重合。那這說明了什麼呢？

我們的觀測一般是通過電磁波進行成像，因此，一些無法成像的區域很可能是因為大量的暗物質存在。而暗物質因為不需要參與到電磁相互作用當中，因此，可以穿越彼此，不會遇到障礙，也就是說不會發生任何碰撞。這個“離奇”的星系碰撞，後來也被我們稱為

暗物質到底是什麼？

在自然界中一共存在四種相互作用，而關於暗物質，我們所知道的就是它有質量，參與到引力的相互作用，但不參與電磁相互作用，因此不發光，也不反射光；暗物質也不參與到強相互作用，因此，穿透力極其強，僅僅有微乎其微的概率會可見物質粒子發生反應。

而且我們可以通過理論計算知道暗物質在宇宙中的佔比要遠遠高於可見物質，差不多是可見物質的5~6倍左右。

那暗物質是什麼呢？

按照目前的理論，科學家認為早期宇宙存在著隨機運動速度的暗物質，我們可以把這些暗物質分為三類：熱暗物質、溫暗物質、冷暗物質。其中熱暗物質的運動速度非常接近於光速，冷暗物質的速度則是遠遠小於光速，溫暗物質正好介於熱暗物質和冷暗物質之間。

目前來看，天文學家主流的觀點認為暗物質的主要成分應該是冷暗物質。也就是運動的速度遠低於光速。

科學家也開始著手去尋找冷暗物質的候選對象，目前來看，可能有個候選對象分別是：

• 大質量緻密暈天體
• 未知的大質量弱相互作用粒子，簡稱WIMP

而科學家猜測更有可能是後者，WIMP應該是比質子、中子還要大的粒子，因此，大多部分的實驗室也是沿著這條路徑去設計實驗方案。比如，我們國家著名的錦屏極深地下暗物質實驗室。實驗室上方是厚度達到2000多的山體岩石，這可以有效地阻礙宇宙射線，給探測暗物質粒子提供適宜的實驗環境。

暗物質理論有什麼缺陷嗎？

可能你要問了，科學家就那麼確信暗物質存在，並且確信暗物質的相關理論就是對的嗎？

實際上，後者科學家無法確定，這也是為什麼各國要啟動如此多的暗物質探測項目。客觀來看，暗物質理論確實存在一些缺陷，大概有如下幾點：

• 科學家是基於廣義相對論是正確的，然後才能實現引力探知物質質量分佈。但是如果廣義相對論存在某些缺陷需要修正，而一旦被修正，觀測和理論就相互匹配了，不需要引入暗物質。那暗物質的假設也就不需要存在了。
• 暗物質提供的引力是十分顯著的，這就會導致天體經過暗物質時會有引力拖拽的作用，但實際觀測中就沒有發現。
• 目前已經發現的暗物質大多存在與星系、星系團等大質量天體系統當中，如果按照冷暗物質模型來看，它們在宇宙138億年內很多實現相對穩定的狀態。
• 科學家從未在矮星系中發現暗物質，因此，有科學家質疑是不是估算星系中心黑洞的質量和數量的方法精度欠佳，導致我們估算錯誤。

基於以上4點缺陷，我們目前還不能說暗物質就一定存在。

關於暗物質的前世今生，以及暗物質理論可能存在的缺陷，我們就聊到這裡。

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