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关于宇宙中的物质，我们以前习惯性地认为，宇宙主要是由可以看得见的发光恒星(如太阳)和少量不发光但是会反射光的行星(如地球)构成的。但是，现在我们已经知道宇宙中的物质远比已知的恒星和行星多得多。因为在宇宙大爆炸中生成的大量的氢和氦既不聚集成恒星，也没有被收集在可见的星系中；相反，它们散布在星系之间(如我们的银河系和附近的仙女座星系)的广大空间区域中，在那里它们既不可见，也很难探测出来。天文学家通过观察从遥远的恒星来到地球上的光在穿越星系际空间时是怎样被部分吸收的，首次检测到它们的存在，我们称它们为星系际气体，它们的质量大约是宇宙中全部恒星和行星质量的10倍。
星系之间充满了气体 恒星、行星和星系际气体，就像我们日常所使用的椅子和桌子一样，都是由元素周期表中的元素构成的，而我们正是通过光直接或间接地'看见'了它们，它们是宇宙中的可见物质。然而，我们所'看见'的这些可见物质就是宇宙中的全部物质吗？答案是否定的，在19世纪50年代的时候，人们就发现了还有一些其他的物质，它们的基元并不是元素周期表中的原子，比如中微子(它的发现过程后续会谈到)。
无处不在的精灵粒子：中微子 更令人感到玄乎的是，宇宙中还有另外一种神秘的物质，它们既不是由元素周期表中的原子构成的，也不是由质子、中子、电子或别的已知粒子构成的，更不是由中微子构成的。这种物质完全不参与电磁辐射的相互作用，因此它们既不能像恒星那样发光，也不像行星那样会反射光，更不会像星系际气体那样有吸收光的特性，所以我们几乎没有任何手段可以直接检测到它们。尽管如此，聪明的科学家还是找到了办法间接地知道它们是存在的，而且知道它们的含量有很多，它们就是暗物质。 那我们是怎么知道暗物质存在的呢？我们并没有通过有效的实验手段直接地检测到暗物质，但是我们凭什么相信它们就一定存在？ 暗物质存在的线索1：星系的旋转速度 早在20世纪30年代，加利福尼亚理工学院的天文学教授弗里茨·兹威基（一位著名的科学家，其刻薄的性格是出了名的。他非常喜爱对称性，甚至因此会将他的同事称为混球，他的解释是，无论从哪个角度看他们都是混蛋——所以是球形对称的混蛋，就是混球）就认识到，后发星系团（距离地球3.23亿光年的星系团，由上千个星系组成）的偏远星系中的可见物质移动得太快以至于无法聚集起足够的引力来使它们聚成团。兹威基通过分析指出，大多数快速移动的星系应该被甩出星系团(这就好像行驶中的自行车会甩出很多泥水一样)，但我们却没有看到星系被甩出星系团这样的现象。 于是，兹威基假定该星系团中还存在其他一些不能发光但是具有引力效应的物质，正是这些物质使该星系团聚在一起。通过计算，兹威基发现，要是这一解释正确的话，星系团质量的绝大部分就应该由这种不发光的物质组成。1936年，威尔森山天文台的辛克莱尔·史密斯发现了确实的证据，通过对室女座星系团的研究，史密斯得到了类似的结论。但是，这两个人的工作，连同后继的一些工作，都存在着各种各样的不确定性，使得人们还没法确认就是大量的不可见物质的引力将星系聚成星系团。 接下来的几十年间，有关不可发光的物质的实验观测证据越来越多，但只有美国女性天文学家薇拉·鲁宾，以及肯特·福特和其他少数人的研究工作才真正抓住了问题的关键。
美国女天文学家薇拉·鲁宾 薇拉·鲁宾和她的合作者的研究基于这样一个事实：星系都是旋转结构，其中的恒星和气体环绕星系中心公转(就像行星环绕太阳公转一样)。
旋转星系 她们研究了大量旋转星系中的恒星和气体环绕星系中心公转时发现，恒星和气体的公转速度是如此之快，理应会脱离星系中心而飞散出去，就好像我们发射航天器的速度如果达到宇宙第三速度(16.7千米/秒)，那么航天器就会摆脱太阳的引力束缚，从而脱离太阳系进入广袤的宇宙空间。但是，我们却没有观察到这样的现象，恒星和气体仍然以不可思议的高速度绕星系中心公转。这就告诉我们，可见的星系物质不可能产生足够强的引力以束缚住速度如此之快的恒星和气体，除非它们被我们实际看到的多许多倍的物质的引力束缚在一起，使之不能自由飞散出去。 但是我们怎么样才能够测量遥远星系的公转速度呢？对这样遥远的地方，要想分辨出单独的一颗恒星都很困难，更不用说还要测量它们的公转速度了。薇拉·鲁宾和她的团队用了一种叫做多普勒效应的方法(该方法的数学推导详见附录)，她们比较了旋转星系中心亮点两侧恒星发出的光的频率，以此测定恒星绕星系中心的公转速度。她们发现，既然星系是在旋转的，那么其中一侧的恒星是朝向地球方向运动的，而另一侧的恒星则在背离地球而运动。
由于光的多普勒效应，来自朝向地球运动的恒星的光频率要比远离地球运动的恒星的光频率高。这跟你在人行道上听到警车警笛声时所感受到的现象是一样的，当警车驶近你的时候，你会觉得警笛声的音频变高了(声音变尖锐)，而当警车远离你而去的时候，你会觉得警笛声的音频变低了(声音变低沉)。
声波的多普勒效应 从这两个频率之间的差异，薇拉·鲁宾能够算出恒星的公转速度，并根据这个公转速度推断了出暗物质的存在。 暗物质提供的引力使得星系中的恒星和气体被束缚在一起绕星系中心公转，如果我们不假设暗物质的存在，那么就无法解释恒星和气体为何会以如此之快的速度公转而不被甩出星系。 暗物质存在的线索2：引力透镜 除了薇拉·鲁宾的方法，天文学家还通过另外一种所谓的“引力透镜”方法推断出暗物质的存在。 从遥远的星系到达地球的光，在其经过的路程中，存在很多大质量星系产生的引力场。根据爱因斯坦的广义相对论，引力场会使得光线被弯曲。
光线被引力弯曲 比如上图，一颗恒星发出的光经过太阳的时候被引力场弯曲，地球上的观察者沿着恒星的光线方向看到的恒星视位置实际上并不是恒星的真实位置，这有点类似于我们看见浸入水中的筷子是弯曲的现象，原因就是光线的路径不是直线。 引力对光线的弯曲，就像一块放大镜对光线产生的弯曲一样，也会产生类似于放大镜的视觉效果，所以这种效果被称之为'引力透镜'。当我们观察位于星系背后的恒星的时候，由于恒星的光线被星系物质产生的引力所弯曲，我们实际观察到的恒星大小也被放大了，就跟放大镜放大了物体一样。
引力透镜的放大效应 甚至有时候，对于同一颗恒星，我们看到的却是很多颗恒星，这同样也是因为引力透镜效应的造成的。
由于引力透镜效应观察到多颗恒星 最近美国的韦布空间望远镜公布了一张宇宙深场图片，其中的一些连续亮光弧正是引力透镜产生的效应。
JWST宇宙深场 根据爱因斯坦的广义相对论，如果星系的质量越大，它所产生的引力就越强，从而造成的光线弯曲程度也会更大。如果宇宙中只有恒星、行星和星系际气体这些可见物质，那么我们所观察到的光线弯曲程度一般来说都是比较微弱的，也就是说引力透镜效应的视觉效果是非常小的，因为这些可见物质所产生的引力强度还不是那么强。但是实际的情况却是，我们观察到的光线被弯曲地非常明显，引力透镜的视觉效果非常强烈，这个观测结果有力地支持了暗物质的存在。 暗物质弥散在整个宇宙空间，我们的银河系，以及许多别的星系，是浸在一团巨大的球形暗物质云中的，其直径是可见星系直径的许多倍。
浸在暗物质中的星系 正因为有了暗物质的存在，宇宙中的星系才会产生如此强烈的引力，导致光线被大幅度地弯曲，进而产生更加剧烈的引力透镜视觉效果。 暗物质存在的线索3：星系团碰撞的质量中心 上面我们说到，星系之间实际上充斥着大量的星系际气体，而且这些气体的质量远比星系内的恒星物质的质量大得多得多。因此，如果有很多个星系(比如我们的银河系)组成一个星系团，那么同样地，在星系团内部，星系际气体的质量也远比恒星物质的质量大得多得多。 当两个星系团发生碰撞的时候，这些星系际气体与组成星系团的恒星物质会发生分离。所以，理论上碰撞之后星系团的质量中心应该还会集中在星系际气体中，因为星系际气体质量远比恒星物质的质量大得多。如下图所示：
但是，我们实际观测到的碰撞之后的质量中心仍然集中在上面红色椭圆所示的区域，质量中心并没有如我们预想的一样集中在星系际气体的中心(图中蓝色椭圆的区域)。这个观测结果又一次出乎了我们的意料，因为如果只存在我们看得见的这些物质，那么大部分质量不应该集中在此处(图中红色椭圆的区域)，对此结果的一个直观的想法就是：在星系团周围，还存在一种至今我们还看不见的物质，并且这些看不见的物质的质量要远大于可见物质的质量；星系团发生碰撞之后，由于这些质量更大的不可见物质的存在，所以大部分质量仍然集中在星系团的中心(图中红色椭圆的区域)，这与我们的观测结果保持一致。所以下面这张图才是真实的星系团碰撞图像：
绿色部分就是不可见物质，也就是暗物质，它们的质量远大于可见物质。 暗物质存在的线索4：恒星的形成 在宇宙诞生的初期，宇宙经历了一个所谓的“黑暗时代”，也就是恒星还没出现之前的时代。
宇宙中的黑暗时代 在这个黑暗的时代，宇宙诞生之后产生的氢元素和氦元素，才开始在引力的作用下聚集，最后形成恒星。如果只存在氢和氦元素，那么他们之间的引力还不够强，在这样的引力强度下，氢和氦聚集成恒星的过程至少要几百亿年的时间。而我们的宇宙，至今也只有138亿年左右的时间。这就意味着，在“黑暗时代”，如果我们的宇宙只有氢和氦，那么宇宙短暂的138亿年时间和微弱的引力根本就不足以形成现在的恒星，我们的宇宙也不会演化成现在这个样子。因此，解释这个矛盾的一个直观的想法依然是：宇宙中还存在一种不可见物质，由于这些物质的存在，大大加强了宇宙中的引力强度，从而加速了整个宇宙中氢和氦聚集形成恒星的过程。这些不可见物质也就是暗物质。 暗物质是什么？ 虽然有很多线索间接地证明了暗物质的存在，但是暗物质究竟是什么？它们是由什么组成的呢？ 很遗憾，直到现在也没有人能给出肯定的答案。尽管天文学家和物理学家已经就暗物质是什么提出了很多种可能性——从各种奇异的粒子到小型黑洞，但暗物质究竟是什么仍然是天文学和理论物理学中的一个主要未解之谜。目前我们没有哪种已知的物质形式能够说明它，科学家预期它是一种全新的物质形式，它同寻常物质的相互作用必定很弱，否则现在它应当已被我们直接发现了。但是不论它是什么，我们可以非常肯定地相信它就在我们周围。也许每秒钟就有几十个暗物质粒子穿过你的身体，而不在你的身体上留下任何效应。随着我们的实验技术和理论方法的不断进步，相信在不久的将来我们会在实验室中探测到它的存在。 为什么我们会这么自信？因为类似的情况在1914年至1955年期间曾经发生过，这个例子就是中微子的发现。 20世纪初, 原子核物理学家研究了一种叫做 这就引发了对这种粒子的搜寻。不久, 物理学家发现了另一个不同于 我们相信暗物质也会跟中微子一样，最终会被我们人类越来越精确的实验仪器所探测到，那将是一件里程碑性的工作。 虽然我们现在还不知道暗物质究竟是什么东西，但是科学家们还是找到了办法估算出了宇宙中的暗物质含量，这个估算的结果完全颠覆了我们的固有认知。暗物质的含量竟然占了宇宙中所有物质的23%，而我们寻常所见的恒星、行星等直接可见的物质，以及星系际气体、黑洞和中微子这些间接可见物质，它们合起来仅仅占了宇宙中所有物质的4%！原来我们一直以为的构成宇宙的主要物质，竟然少得如此可怜！ 但是请稍等，23%加上4%不过才27%，剩下的73%去哪了？没错，这剩下的73%正是所谓的“暗能量”，我将在下一篇文章中详细介绍它，今天这篇文章就到此结束。下面是附录的内容，也就是多普勒效应的公式推导，对数学不反感的同学可以继续往下看，其实它的推导逻辑是非常简单的，只不过数学公式对大部分人来说显得很劝退，为了劝住更多的读者，同时也为了避免影响文章的主线结构，我用附录的形式把这部分推导过程放在了文章最后面。 附录：多普勒效应公式推导 多普勒效应是一种非常常见的物理现象，它产生的根源是波源与观察者之间存在相对运动。 下面我们分两种情况讨论这个效应。 在不考虑相对论效应的情况下，假设有一个传播速度为 现在，如果让波源以速度 如果我们考虑相对论效应，那么频率移动的量就会有所不同。假设我们现在考虑的是光源的情况，即一个光源相对观察者运动，光源的传播速度是光速 c，频率、周期和波长我们依然记为 与非相对论情况不同的是，当光源朝向观察者运动时，光源在发出两个电磁场波峰的时间间隔内移动的距离不再是 又由于光速不变原理，光源发出的两个波峰的传播速度在观察者看来仍然是光速c，所以这两个波峰在观察者看来，其时间间隔为： 如果我们根据 同样地，如果光源远离观察者运动，那么观察者接收到的光的波长和频率与原来的波长和频率的关系就变为： 薇拉·鲁宾正是通过多普勒红移公式计算出了旋转星系的公转速度，即通过观察朝向地球和远离地球时光频率 参考资料： |
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