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2018年第1期 总第015期 1月
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占据了近1/3的宇宙的暗物质

“看不见”不代表不存在。为了寻找这个“看不见”的物质,科学家们已孜孜不倦找了100多年。如果它真被“找到”,一切可能都要改写。
文/记者 刘辛味  
编辑 吉菁菁

宇宙学家们笃信,我们的宇宙诞生于一个无限小、充满能量奇点的大爆炸,在广袤的宇宙之中,除了4.9%的普通物质,还存在着约占26.8%的“暗物质”。暗物质与普通物质有弱相互作用,但是不发光,不发出电磁波,不被我们所见。

既然“看不见”,如何能确定其真实存在呢?从人类“发现”暗物质到踏上寻找它的漫长之路,回望这段历史,一切都并不容易。

▲11月30日,《自然》杂志报道了中国暗物质粒子探测卫星“悟空”的首批探测成果:“悟空”测量到电子宇宙射线能谱在1.4万亿电子伏特(TeV)能量处的一个“拐折”。但这个观测结果也仅仅是让我们距“发现”暗物质又近了一步。“悟空”卫星资料图片(图片来自网络)

▲自从20世纪30年代,科学家们就开始寻找暗物质,但至今为止仍未发现它的“芳踪”。关于暗物质我们还需要找多久?(图片来自网络)

暗物质的发现要从引力先说起,传说中苹果从树上掉下引发了牛顿对引力的思考,为什么地球能围绕太阳旋转而没有落到地面。引力与两个星体的质量和距离有关,引力让天体稳定的运动。通过万有引力定律,科学家发展了天体运动学理论,预测天体的存在以及解释它的运动。牛顿引力定律最著名的例子可能是天王星之谜和海王星的发现。引力也最终导致了认定暗物质的发现。

天王星之谜和海王星的发现

1821年,法国天文学家瓦布德(Alexis Bouvard)根据当时观测资料和天体运动学理论计算了天王星的运动轨迹,结果发现了很大的问题。他算出的轨道运动与观测不符,而且远超过误差允许范围。对当时的天文学家来说天王星的运动是一个谜。为了解释,科学家一方面开始对牛顿力学发展的天体运动学理论提出质疑,并尝试修改。另一方面提出存在看不到的“暗”卫星或行星,它们的引力作用影响了天王星的运行轨迹。

20年后,当时年仅22岁的天文家亚当斯(John C.Adams)开始思考用牛顿引力理论范畴之内解决这种“暗”星体。1845年,亚当斯得出了一些结论。与此同时,法国天文学家勒维耶(Urbain Le Verrier)也开始独立的计算这颗未知天体的运动。他们各自提出在比天王星更远的天区还有颗行星。1846年,柏林天文台的天文学家加勒(Johann G.Galle)得知此事,立即进行观测,很快就发现了一颗新行星,就是后来被命名为海王星。尽管对于预测的优先权在当时有过激烈的争论,我们今天已经认定亚当斯和勒维耶同时各自独立作出的成果。

海王星的发现是牛顿力学一次伟大的胜利。如果继续相信主宰天体运动的引力理论是正确的话,如今的暗物质假设就是当年的“暗”行星。

▲海王星的发现是牛顿力学一次伟大的胜利(图片来源:National Geographic)

暗物质的早期历史

19世纪后期,天文摄影给人们展示了宇宙中的黑暗区域,科学家也发现恒星并不是均匀分布的。科学家们想知道这些黑暗区域是完全没有发光的星体,还是有物质吸收或阻挡了他们对恒星的观测。1884年,英国物理学家开尔文勋爵提出了一种气体模型,把恒星当成气体粒子,可以在引力的作用下得出星系的大小和恒星的速度分布。通过这种方法他得出了银河系的总质量,他又计算了所有能看到的恒星的总质量,发现前者大于后者。两者能比较的意义在于,恒星占据了天体中极大的质量,比如我们生活的太阳系,太阳的质量占据整个太阳系质量的99.8%。所以开尔文勋爵认为存在不发光的恒星,他在一次学术报告中说:“我们所知道的恒星,或许它们大多数是‘黑体’”。

▲庞加莱(Jules Henri Poincaré)是一位真正的大师,也是第一个写下“暗物质”一词的人,他的研究至今仍有影响。(图片来源Timetoast)

在真正确定暗物质存在之前,还有几人的工作要记录在暗物质发现的历史中。1906年法国数学家和物理学家庞加莱在回应开尔文勋爵的工作时,表示气体理论给他留下了深刻印象。他直接用法语写下了“暗物质”一词,不过他认为暗物质不存在,即便存在也比发光物质少。恒星死亡后是暗物质吗?这位伟大的科学家并没有解决这个问题。

1922年时,荷兰天文学家卡普坦(Jacobus C.Kapteyn),在研究恒星速度的时候假设了暗物质的存在。卡普坦一生的工作极大地推动了对银河系结构的研究,他的学生奥尔特(Jan H.Oort)后来发现了银河系的悬臂结构。而奥尔特在1932年时研究太阳运动时候加入了暗物质,并由此计算了太阳附近的物质总密度以估计暗物质的密度。他在卡普坦的基础上更进一步,做了很多开创性的工作。

显然,他们在暗物质的早期历史做了基础性的工作,暗物质从纯粹的看不到的区域变成了去了解代表黑暗的物质,但他们只认为这是不发光的普通物质,还不是我们现在意义上理解暗物质。

▲奥尔特是射电天文学的先驱,他对银河系的研究做出了显著贡献。欧洲航天局称他是二十世纪最伟大的天文学家之一。(图片来源:gettyimages)

暗物质的新证据

1933年,瑞士天体物理学家弗里茨•兹威基(Fritz Zwicky)发现了一个奇特的现象,大尺度的星系团(由引力束缚的巨大星系集合体)中众多星系的相对运动速度非常高,为了满足这样大的速度运动,所需极大的质量提供引力,否则它们就会脱离引力束缚四散分离。

兹威基把观测到的发光体质量计算出来,发现所需质量是他观测到的发光物质总量的400倍。为了解释这一现象,兹威基假设星系团中还有我们看不到,但具有引力作用的新物质,而且质量足够大让它们不会四散分离。兹威基通常被认为是提出暗物质的第一人,因为他给出了比之前更具普遍意义的暗物质存在证据。他在考虑暗物质组成的时候,想到的是冷星、宏观或微观固体或气体,或许是全新的物质。

兹威基是一位独立的思考者,他对事物时常有着令人印象深刻的洞察力,但偶尔也有些疯狂的想法,这个闻名遐迩的才子被同行认为是个怪人,他自己也清楚自己的性格,所以没人愿意认真对待他的工作。他超越他自己时代的理论在40年后,才重新获得了肯定。

▲弗里茨•兹威基发现了“暗物质”,发现了超新星,预言了中子星的存在,在天文学理论和观测上做出了很多重要贡献。但由于他古怪的性格,当他还在世的时候,就像“暗物质”一样,始终被人们所忽视。(图片来自网络)

20世纪70年代,美国女天文学家维拉•鲁宾(Vera Rubin)发现了暗物质存在的另一个证据。她与天文学家肯特•福特(Kent Ford)合作研究银河系的运动。银河系是一个螺旋星系,恒星和气团围绕银河系的中心转动,运动速度与到银河中心的距离有关,从而能绘制一副旋转曲线。就像观测到太阳系中距离太阳最近的水星运动最快,距离最远的海王星最慢,距离银河系中心较远的恒星运动较慢。一般的旋转曲线应该随着距离越远,线条越来越低。

▲旋转曲线,上方的观测数据,下面的是理论上的推算曲线。(图片来源wiki)

▲这是太阳系的旋转曲线,最快的是水星,最慢的的冥王星已被列为小行星。(图片来源chemphys.armstrong.edu)

鲁宾惊讶的发现,她绘出的曲线没有倾斜,不管恒星距离星系中心有多远,它们围绕的行星中心公转的速度都是一样的!这种情况完全不满足已经被无数次证明的引力定律。可能的解释是,存在一些没有考虑到的物质他们的引力作用控制着那些恒星的运动。鲁宾还计算出,普通物质仅仅占所需质量的1/6,如果没有暗物质的帮助,恒星将飞出星系。到上世纪80年代,科学家们观测了几乎所有螺旋星系,都发现了相似的现象。而对于非螺旋星系,如兹威基研究的星系团,以及星际气体的运动,动力学测量结果也需要暗物质的加入。

鲁宾的发现似乎给了暗物质存在无可辩驳的证据,这一发现也促使科学家们改变了暗物质组成的设想,这个构成宇宙大部分的物质我们完全不了解。

▲40年代时,鲁宾在进行天文观测,这位美女天文学家在那个时代也遭遇很多困难。鲁宾在2016年去世,很多科学家认为欠他一座诺贝尔奖。(图片来源:AstroPT)

引力透镜“看见”暗物质

爱因斯坦的广义相对论中告诉我们,大质量天体周围的时空是弯曲的,时空曲率产生了引力。所以当光线通过大质量天体周围时,本来直线传播的光被引力弯曲了,类似于光线通过凸透镜后被弯曲聚焦,而弯曲程度与天体质量有关。这在物理学上被称为引力透镜原理。所以我们从地球上观察到的目标星系的光线是经过大质量天体后被弯曲后的光线,如今的科学家可以这些光线的成像推算出星系的大致分布,计算质量等数据。1979年引力透镜效应首次发现后,至今成为了重要的天文学观测手段。

暗物质也在充当大质量天体,通过引力透镜方式最终计算出的星系质量远比一般天文学观测方法测量的数值高。后者通常需要做一些动力学假设,引力透镜效应则与这些假设无关,能直接测得发光物质的质量,所以引力透镜效应被认为是直接看到暗物质的方式。科学家们因此发明了一种引力透镜质量分不成像的方法,绘制出了宇宙中暗物质的分布。

目前暗物质占宇宙总量的26.8%是2009年普朗克卫星通过宇宙背景辐射测量出的,这是另一种计算暗物质含量的方式。

▲引力透镜效应,我们看到的图像是经过弯曲后的图像。(图片来源:NASA)

暗物质存在的最强证据

透镜效应提供了最有说服力的暗物质证据,来自合并的星系团。2006年,美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对子弹星系团(Bullet Cluster)观测,它是由两个子星系团高速碰撞后形成,用X射线测量到气体在中心区域,而通过引力透镜观测到暗物质质量分布在两边,也就是说暗物质与普通物质竟然分开了!因为普通物质会受电磁相互作用影响,碰撞后会相互粘滞,产生减速效应,结果导致普通气体物质被阻挡在了中间部分。而暗物质几乎没有相互作用,无阻碍地穿过,暗物质与普通物质形成了空间分离的团块。这一现象被看成暗物质存在的直接证据。

▲子弹星系团由三种不同观测图像合成,蓝色是引力透镜下暗物质的成像,红色的是X波段下气体的分布,白色光点为可见光下的拍摄(图片来源:Ars Technica)

如今暗物质的存在已经得到了科学家们的承认,并希望真正的找到暗物质粒子。从上世纪80年代起,粒子物理学家们开始寻求解释暗物质到底是什么,至今提出了多种模型。今天,尽管还有一小部分科学家认为暗物质不存在,试图修改引力理论,但并无公认的新理论。科学家们在按照暗物质模型中的可能性寻找暗物质,或许在不久的将来,我们将解开这个秘密。

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