暗物质发现历程

1933年，加州理工大学的瑞士天文学家茨威基在研究星系团时发现了奇怪的现象：外围星系相对于星系团中心的运动速度似乎太快了。星系团是星系的集合体，可以包含数百个明亮的星系，这些星系由共同的引力场束缚。茨威基研究的星系团被称作“后发座星系团”，距离银河系3亿光年。茨威基的同事史密斯用当时世界上最好的望远镜收集了星系团中成员星系的速度。利用引力理论，天文学家可以通过星系的运动速度推断星系团的总质量，星系的运动速度越快，说明束缚它们的引力场越强大，也就意味着星系团的总质量越大。而茨威基通过星系速度推断出星系团质量显得太大了，要比星系的质量多出几百倍。茨威基很快将星系团中隐藏的物质命名为“暗物质”。由于缺乏其它的独立观测证据，在之后的三十年里，暗物质的概念不时被人提起，但却没有人认真对待。

1960年后，一个证据来自于一个漩涡星系。由于长缝光谱仪的发展使得天文学家可以一次拍摄河外星系不同区域的恒星轨道运动速度，也就是所谓的“星系旋转曲线”。与星系团中的星系运动同理，星系中恒星的轨道运动越快，意味着星系质量越大。美国卡内基研究所的鲁宾(Rubin)和福特(Ford)在此后的十年间系统地调查了近邻星系的旋转曲线。研究结果表明所有的旋臂星系外围的恒星似乎都转得太快了，如果星系主要的质量只来自可见物质，那么这些星系外围的恒星应该早已逃逸而去。这些近邻的漩涡星系中至少应该包含比可见物质多6倍的暗物质，才能解释观测的旋转曲线。

有人认为恒星远没有用尽宇宙中的氢氦元素，星系中可能存在大量这样的气体，不少人猜测也许它们的质量足以束缚星系外围的恒星，使得它们在星系中无法逃离出去。然而在20世纪70年代，星系团的观测有了新的进展，人们观测到星系团中的气体。这些气体的温度非常高，这使得它们可以发出X-ray辐射。通过X-ray卫星观测，人们就可以估计星系团中气体的质量，而这一质量惊人地达到了恒星质量的5倍。但这些新发现的气体并不能解释消失的质量。事实上，热气体的发现反而加剧了质量缺失问题，因为这些气体温度太高了，如果没有强大的引力势阱束缚，这些气体就会在很短的时间里从星系团中逃逸殆尽。而束缚这些气体所需要的物质量，又是这些热气体质量的10倍左右。

科学家利用引力透镜计算星系的总质量，称之为引力质量，估算星系中发光物质的质量，称为光度质量。结论是宇宙中大多数星系的引力质量远大于光度质量，与平均值相差9倍，这也证明了星系团中大部分物质是不可见的，但也有引力。

星系团棒状结构的减速可能是由暗物质引起的。在浩瀚的宇宙中，暗物质拥有非常强大的能量，这使得数十亿颗恒星的结构速度减慢。而且通过一些早期的测量，我们发现银河系总质量的78%以上是由暗物质组成的。

大量观测事实证明宇宙中存在丢失的质量，这是暗物质存在的一个关键证据，也是最早发现暗物质的一个证据。

图3.1 数据合成的子弹星系团图像

图3.1所示子弹星系团是宇宙中一大一小两个星系团相撞后留下的混合体(1E0657-558)。因为这个星系团就像一颗子弹从较大的星系中贯穿而过，不过，还是习惯性地将相撞后的两个星系共称为子弹星系团。通过分析子弹星系团产生的引力透镜效应，发现了暗物质存在的有力证据。该图综合利用了哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台和大麦哲伦望远镜所收集的数据合成的子弹星系团图像。

图3.2合并的星系团

图3.2为一个合并的星系团，从引力信号中分离出一种不同的X射线气体，但这是意料之中的，因为这个星系团处于合并的不同阶段，而且仍然存在偏移。一组系统的观察和分析表明，可见物质团不足以解释观测到的效应。而且这一特征被大量的其它碰撞的星团所证明，并表现出同样的效果。

图3.3 四个相互碰撞的子弹星系团

图3.3为四个相互碰撞的子弹星系团，显示X射线和万有引力产生了分离，这表明存在暗物质。在适当的条件下，引力会表现出非局部的影响。

图3.4 团簇和星系团对其背后的光和物质产生引力作用

图3.4为由于微弱的引力透镜效应，团簇和星系团对其背后的光和物质产生弯曲作用。这使质量分布能够被重建，它应该与观测的物质一致。如果有两个星系团碰撞后，大部分的物质都位于碰撞发生的中心区域，但是大部分的引力作用都集中在其它地方，这表明引力和质量的位置无法重合。事实上，星系群中所看到的可见物质位置与引力质量位置不一致。

图3.5 预测宇宙中暗物质的分布     图3.6恒星质量的组合

图3.5为预测宇宙中暗物质的分布。从哈勃太空望远镜观测到的背景星系的微弱扭曲现象中可以推断出暗物质的密度。图3.6为将哈勃太空望远镜与X射线卫星观测得到的星系内恒星质量进行组合，揭示出可见物质的等值图。这种现象的原因有两种解释：一种是引力作用于非局部，另一种是存在一些看不见的质量形式——暗物质。有一个简单的方法可以区分二者：可以观测没有在碰撞过程中的星系团，或者两个相互靠近却未合并的星系团。如果暗物质是正确的解释，引力透镜信号所追踪的物质分布应该是局部的，但如果非局部引力是答案，那么引力效应就应该在物质不存在的地方。

发现子弹星系的引力中心和可见物质的中心不重合，即可见物质的中心与暗物质的中心不重合。这个关键证据的出现，让众多学者笃定暗物质一定存在。

图3.7 星系群从引力透镜中重建的质量

图3.7为星系群从引力透镜中重建的质量，点为显示观测到的星系。当星系团静止时，没有物质与引力的分离；当星系团不受干扰时，引力效应就位于物质分布的地方，只有在碰撞或相互作用发生后，才会看到一个非局部的效应。这表明在碰撞过程中发生了一些事情，从看到的引力效应中分离出正常物质。非局部引力会使观察到的物质与引力不能同时匹配，采用暗物质才能合理解释这种现象。

星系团热气体的发现促使科学家严肃考虑暗物质粒子。这些不可见物质并不是原子、分子等可见物质所构成的可见物质，而是另一种不在标准模型中的基本粒子。这种暗物质不发光，但可以通过暗物质的引力效应观测到它。利用引力透镜效应可以绘制暗物质在宇宙中的分布。

另外，真空场也是暗物质存在的一个证据。根据实验对真空的认识只能得到这样的结论：真空不空，在未受到扰动时没有可观测性，但受激发时将会产生粒子。真空不空，散布着大量的场态粒子。真空不应该具有动力学特性，例如：质量、惯性等，这些特性是空间散布着隐态粒子所具有的。真空也不应该具有任何基本粒子的性质，例如：有电荷和自旋等性质，这些特性也是真空中所散布的隐态粒子所具有的。

现代科学家认为真空是由正电子和负电子旋转波包组成的系统。狄拉克从量子场论对真空态进行了描述，把真空比喻为起伏不定的能量之海。不同手段观测到的正电子和负电子旋转波包实际上就是一种处于隐身态的暗物质，并不断以微小的规模形成和消失。

总之，大量观测证据表明，宇宙中存在大量的丢失质量且远远大于可见物质，这些丢失质量往往在子弹星系中与可见物质分离，因此断定暗物质一定存在。所谓真空具有的动力学特性和基本粒子特性都不是真空本身所具有的，都是处于隐身的暗物质粒子所赋予的。狄拉克从量子场论角度出发，把真空比喻为起伏不定的电子海，正电子和负电子旋转波包组成的系统实际上就是一种处于隐身态的暗物质。

3.3 暗物质分布

图3.8 二维暗物质图

2016年4月，一个由多个研究所组成的研究小组，包括日本国立天文台和东京大学，根据在斯巴鲁望远镜上获得的影像资料，发布了一幅前所未有的宽而精确的暗物质分布图。暗物质分布由弱引力透镜技术确定(见图3.8)。研究小组找到暗物质光环的位置和透镜信号，有迹象表明光环的数量可能与最简单的宇宙模型所暗示的不一致。

暗物质集中在稠密的团块中，可以识别大量的暗物质晕，图中显示的面积约为30平方度(此次共观测到160平方度)。这只是最终计划分布图的11%，但这已经是空前的宽度，从未有过如此清晰的暗物质分布图覆盖如此广阔的区域。影像学观察是通过五个不同的滤色器进行的。通过将这些颜色数据结合起来，可以粗略地估计到微弱的背景星系的距离。与此同时，透镜在距离遥远星系和观测者之间的位置时，透镜效应最为显著。

图3.9暗物质晕的位置

图3.9为通过微弱的引力透镜技术探测到暗物质晕位置的Hyper Suprime-Cam图像，这个光环如此巨大，以至于一些背景星系围绕着光环的中心展开。利用这种分组的星系样本，通过层析成像方法，获得暗物质三维分布。

日本国立天文台的一个研究小组对美国夏威夷岛“昴”望远镜拍摄的星系团图像进行分析后确认，暗物质在星系团中呈扁平状分布。根据传统理论，在由约1000个星系组成的银河系里存在着大量暗物质，但是这些暗物质并没有均匀分布，基本上哪里有可见物质(星系)哪里就有暗物质。从小尺度上看，暗物质分布处处不同，暗物质是成团的，暗物质团被称作暗晕，星系形成在暗晕中；从极大尺度上看，宇宙不同地方的暗物质结构的统计性质几乎一样，是均匀各向同性的。

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