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看不见、测不到,科学家为何确信暗物质存在?

2019-12-28  雨吻花开
光明网

暗物质是现代天体物理学中最神秘的事物之一,天体物理学家确信它的存在,甚至认为它无处不在,但却不知道它的成分。看不见、测不到,科学家们是如何知道暗物质的存在呢?

看不见、测不到,科学家为何确信暗物质存在?

1884年,著名物理学家开尔文勋爵在估算银河系的总质量时发现,人们可看到的银河系内的恒星总质量要小于他所估算出来的银河系总质量。于是,他提出银河系中存在的大多数天体可能是我们看不到的“黑暗天体”。

1906年,著名的科学家庞加莱在《银河系和气体理论》中首次用到了暗物质这个词。

到了1933年,一位脾气古怪、却有着敏锐洞察力的瑞士天体物理学家兹威基发现,后发座星系团有些奇异之处:尽管其中的星系看似以引力作用相互束缚,但从它们很高的运动速度来看,星系团将不可避免地分崩离析。然而,后发星系团并未瓦解。于是,他也提出,后发星系团中存在大量不可见的神秘物质。

大约30年后,美国天文学家薇拉·鲁宾在观测星系运转时,发现其他星系也存在类似的现象——星系外侧恒星的运动速度远远高于预期,这很不合常理。

为什么这样说呢?我们拿链球比赛来做个比喻,当运动员把链球甩起来,链球的速度达到一定程度之后,根据牛顿力学定律,随着运动员把链球甩得越来越快,运动员用来拽住链球的力也要越来越大。

看不见、测不到,科学家为何确信暗物质存在?

同样的道理,星系是依靠引力拽住星系中的恒星,因此,恒星离星系核心越远,速度又要保持不变,那所需要的引力就得越大。

就拿太阳系为例,我们通过理论计算,银河系可见物质所能提供的引力,只能保证太阳系以160千米的时速运动,但科学家观测到的时速却是240千米。这就说明,存在着额外的引力,才能保证太阳系以如此高的速度运动而不会飞出银河系。

20世纪70年代以来,科学家们通过对星系、星系团、引力透镜效应、宇宙微波背景辐射等观测,获得了一系列天文证据,逐渐让人们认识到暗物质确实是存在的,并且通过理论计算知道暗物质在宇宙中的占比要远远高于可见物质,差不多是可见物质的5-6倍左右。

今天,虽然科学家们还没有直接捕捉或看到暗物质,可是大多数天文学家坚信,暗物质的存在,是目前许多宇宙现象最为简洁与合理的解释。

监  制:任贺春 赵 铮

策  划:战 钊 宋雅娟

编  导:肖春芳

制  作:苏小坡

技术支持:光明网

出  品:中国数字科技馆

来源: 中国数字科技馆

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