原创｜“暗物质”的概念是如何提出的？

作者：王铮

中国科学院国家空间科学中心

空间天气学国家重点实验室

关于空间天文科学研究发展，现在有个说法叫“两暗一黑三起源”:“两暗”是指暗物质（dark matter）、暗能量（dark energy），“一黑”是指黑洞，“三起源”是指宇宙起源、天体起源和宇宙生命起源。2015年12月17日，中国首颗暗物质粒子探测卫星DAMPE（“悟空”）发射，其目的就是宇宙中“暗物质”的探测。

暗物质粒子探测卫星“悟空”

既然要去找，就说明我们认为这种东西“存在”。那暗物质是什么东西，为什么认为宇宙中存在着暗物质？

早在1933年，天体物理学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）研究了“后发座星系团”中8个星系时的质量。他估计星系团的质量采用了两种不同的方法：第一种方法是对大量星系的运动速度进行分析，因为速度与引力有关，所以可以间接估计出星系团的质量，得到质量称为“力学质量”。另一种方法是通过星系团内星系的亮度来估计质量，因为恒星质量越大就越亮，这样得到的质量称为“光度质量”。

在估计了行星等一些看不见的质量之后，假如遥远星空的质量大致是“所见即所得”，那这两个质量应该差不多。然而，计算出来的结果是力学质量比光度质量高了400倍左右。换言之，力学质量里的绝大部分是我们看不到（不发光）的物质。如果没有这部分“看不见的物质”的作用，那么这个星系团的引力就不足以将其中的星系像现在这样束缚在一起。

1936年，天文学家辛克莱尔·史密斯（Sinclair Smith）讨论了他在“处女座星系团”中注意到的相同情形，提出存在“星系团内部大质量的星云间物质”。

而且，即使把气体、尘埃、等离子体、类恒星天体和行星计算进来，也只增加了15%的质量，远远不够填补“空缺”。

相比用光度推测的质量计算的结果，“后发座星系团”中星系跑得太快了

20世纪60-70年代，女天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）对“仙女座大星系（M31）”的星系旋转曲线进行了测量，简单来说就是测量距离星系中心不同半径处物质的旋转速度，得到如下的图。图中横坐标是距离星系中心的距离，纵坐标为旋转速度，红色是理论计算的曲线，白色是实际观测的曲线。

先说理论计算。假设星系中心的巨大质量的物质都像太阳一样发光（像地球之类的反射光的行星质量相对小很多，但也可以进行估计），通过测量光的分布，猜测一些星系的年龄和恒星形成率，可以推算出来光度-质量比，也就是根据光度推测大概的质量分布。按照万有引力定律，理论上物质离中心越远转的越慢，根据光度推算的质量分布来计算，物质的旋转速度随距离的变化应该那条是红色曲线。

然而，实际观测出来的是图中的白色曲线：离星系中心不同距离处的气体，围绕中心旋转的速度都差不多，星系外围的绕转速度明显比计算得到的要快很多。她又观测了其他星系，1978年的论文中他们观测的其他8个星系的旋转曲线全部都是平直的。而随后其他射电天文学家们对25个其他星系的观测中，有22个星系的旋转曲线都是平直的。科学家们有理由认为，宇宙中存在着我们看不到的物质，为弥散于星系各处的气体提供着引力。

星系外围的绕转速度明显比计算得到的要快很多

同样在20世纪60年代，普林斯顿的物理学家Jim Peebles和Jeremiah Ostriker对银河系建模，计算发现旋转的银河系很不稳定，很快就会分裂或者变成块状。只有看到不到的质量和可见的质量大体相当时，银河系才能保持稳定。1973年他们发表了一篇文章，称银河系以及其他旋涡星系的星系晕质量可能极其巨大。他们推测普通星系的质量甚至可能一直被低估了10个数量级以上。

在这之后，科学家们在多个方面发现越来越多的证据，证明有大量的“观测之外”的物质质量，甚至比我们“看得到”的还要大。20世纪80年代，科学家正式提出了“暗物质”这个名称。

而我们越来越多的探测暗物质，则是透过所谓“引力透镜”，也即是因为有巨大质量物质的存在，使得光线发生弯曲（广义相对论），那么通过研究我们看到的被引力透镜弯曲了的背景星系，就可以判定造成光线弯曲的前景星系的质量分布。如下图中的那些弧形，就是引力透镜效应的结果。经过计算，前景星系的质量远大于用光度推算的质量。这种方式也证实了暗物质之间的相互作用比正常物质要弱的多。

引力透镜

简单总结来说，因为在一些地方，我们算出来需要的质量，比能看到的质量多得多，需要一些“说不清、道不明”的物质，科学家们所以提出了“暗物质”的概念。虽然不知道这些暗物质是什么，但它就是存在。

其实有看不见的物质，本来就在意料之内，就像在遥远的太空我们也看不见我们的地球和水星、火星等其他星球一样。但是暗物质是不一样的——实际计算和观测发现，“看不见”的质量远远比想象的大得太多，很难用一般的理论推测去解释，故而才会被重视并提出为“暗物质”。根据天文学的各种推算，组成星系团的质量中，星系只占了百分之几，星系际介质约占20%，暗物质的比例则高达70%～80%。

暗物质的基本性质可以概括为：参与引力相互作用、但不参与电磁相互作用。暗物质的所谓“看不见”，不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见，而是说不论探测什么波段的电磁波，比如红外线、紫外线、X射线、伽马射线等，都看不到它。现在科学家们认为暗物质确实是某种粒子，理论上有几个候选粒子，实验上也在寻找，都需要更多的证据来证实。我国发射的暗物质卫星“悟空”，就是从天文观测上寻找，通过测量宇宙射线中正负电子之比，试图找出可能的暗物质信号。