暗物质是什么?怎么被提出的?真的存在吗?

20世纪的70年代,人们在测量星系旋转状况的时候,就发现了一个非常奇怪的现象,至此,暗物质这三个字在沉寂了40年之后,再一次登上了宇宙学的舞台,成为了所有科学家挥之不去的噩梦。

大爆炸理论告诉我们,宇宙是从氢和氦开始的,按数量来说,当时就创造了大约92%的氢,大约8%的氦,这两种元素就是我们能够看到的所有物质的来源。

也可以认为宇宙空间中除了这些东西以外,在加上一些中微子、光子,基本上就啥也没有了。

除了这个,还有另外一个预言,大爆炸火球的余温,也就是微波背景辐射,通过测量我们能够知道,宇宙早期物质的分布情况。

那么掌握了以上的知识,再加上牛顿的万有引力,我们应该能够复现出从中性原子形成以后,到宇宙的第一批恒星、第一批星系,以及星系团,大尺度结构形成的过程。

如果预测跟观测事实相符,那就说明现有的大爆炸理论外加暴胀理论基本上就能解释我们今天所看到的一切,如果与事实不符,那就说明大爆炸理论依旧有漏洞。

其实有漏洞并不可怕,打个补丁就可以了,顺便还能推进我们的科学向前发展,害怕的是,这个漏洞,就算你穷尽人类所有的知识都堵不上,最后变成了一个累世难解的谜题,这是最可怕的。

从一开始我们对宇宙大尺度结构的了解,就是测量一些离我们比较近的星系,以及星系团的运动情况和它的质量是多少。

一方面我们能够检验一下,现有引力理论在大尺度上的表现情况,因为以前我们只是发现,引力理论在太阳系很好,那么我们现在把他用在横跨数千万光年的星系团上,看下它的表现是否依旧良好。

另一方面,我们测量星系、星系团的质量,也是在检验宇宙的成分,是不是跟大爆炸预测的一样。

一般来说,我们测量一个星系或者星系团的质量有两种办法,一种就是通过看它的发光能力,我们就能大致地推断出,这个星系团或者是星系所包含的恒星的质量是多少。

另外一种,就是测量一个星系团中星系的运动情况,或者说是一个星系的旋转情况,然后根据引力理论算出,这个星系团或者是星系,需要多大的质量才能保证自己不解体。

如果我们相信这两种独立测量质量的办法都没有问题,我们应该会期望它俩得出来的质量差不了多少。

原因是,你看我们的太阳系,别看它很大,里面有八大行星,各种卫星,小天体之类的,其实太阳一个人的质量就占到了太阳系总质量的99.8%。

所以我们估计一个星系团中恒星的质量,应该是比较接近它的真实质量的,最多能差个几倍,或者是十来倍的样子。

因为星系团中的气体云的质量也相当的可观,但真实的情况是,通过星光测得的质量和通过引力测得的质量差了50倍。

这个差距也太大了,也就是说,恒星的质量只占了星系团质量的2%,那剩下的98%都写啥东西?难道都是气体云?等离子体?暗天体?

第一个发现这个问题的人叫茨维基,它就是提出光线老化学说的那个人,1933年的时候,它就测量后发座星团的质量,这个星系团距离我们大约3.3亿光年。

当时茨维基通过星光获得的质量和引力获得的质量差了160倍,面对这么大的差异,茨维基当时就惊呆了,所以就创造了一个词叫暗物质。意思是说,在星系团中还有一些除了恒星以外的东西,它们的质量非常大,是星系团主要组成部分。

现在我们知道,其实茨维基当时高估了两者之间的差异,并不是160倍,而是50倍。那就算是50倍,我们也不能忽略这个问题,对吧。

你需要解释这50倍到底差在了哪里?如果我们把没有看到的气体云、尘埃、等离子体、行星、失败的恒星、黑洞这些东西都算进去的话,能不能弥补这50倍的差异?

可是当时人们并没有重视这个问题,更没有想去把这50倍的差异给它抹掉。所以这个问题就这样静置了40年。

直到20世纪的70年代,人们在测量星系旋转状况的时候,就发现了一个非常奇怪的现象,至此,暗物质这三个字在沉寂了40年之后,再一次登上了宇宙学的舞台,成为了所有科学家挥之不去的噩梦。

下面我们说下,如何测量单个星系各个部分的旋转情况?以前我们说过星光的多普勒红移,我们只要看其中吸收线的位移,就能推测出这个星系在我们视向方向的退行速度是多少了。

测量星系各个部分的旋转情况其实跟这也差不多,但是有个要求,这个星系的盘面必须是侧对着我们的视线方向。

就像是我们现在看到这个M102星系,它的盘面基本上和我们的视向是平行的,这样的话我们就能测量因为它的自转,所造成多普勒效应。

比如说,它的上半部分在我们视线上远离我们,星光就会出现红移,我们就能测出上半部分的某个点远离我们的速度。

好,那上半部分在远离我们,那下半部分就应该是在靠近我们,对吧!因为星系在自转呀。它发出的光就会蓝移,我就能测出下半部分某个点,靠近我们的速度。

依照以上的方法,我们从一个星系的中心一直往外测,就会得出这个星系的半径和转速的关系,当我们把这个关系表现在坐标图上,我应该会期望看到一个,随着距离的增大,转速平缓下降的一个曲线。

这可以理解吧,这就跟我们的太阳系一样,越往外,也就是半径越大,公转的速度越慢,你看,水星一秒47千米,海王星一秒才5.4千米。这很符合我们的引力理论,

但是在70年代的时候,伽莫夫的学生,女天文学鲁宾,在测量了M31星系的自转以后,就发现了不对劲的地方。

M31就是仙女座星系,离我们比较近,而且体量也大,重要的是它的盘面和我们的视向方向有30度的夹角,所以整体来说还是比较好测量的。

那么鲁宾就发现,M31星系的自转在远离中心的时候,它的转速并不会下降,有时还会上升,但整体上来说,整个星系从内到外的转速处在一个平均的水平上。这根本就不符合万有引力,以及恒星分布的情况呀。

当然,M31星系并不是个例,在此后的几十年,我们把能测的星系都测了,无一例外,都说明,以我们现在掌握的星系的物质分布、以及万有引力,无法解释星系的自转,很明显有很大的质量缺失。

这张图片就很形象地展示了M33三角座星系,各区域转速的预测值和实测值,很明显可以看出,随着半径的增大,实测转速不降反而上升了。

这张图片就列出了更多的星系,无一例外,它们的转动情况和我们太阳系完全不一样。

因此鲁宾的发现就让科学界开始重视茨维基40年前提出的暗物质了。这也代表着天体物理学的第一次危机爆发了。

以当时人们所掌握的情况,对“暗物质”问题就做出了三种可能的猜测:

首先还是那个老想法,星系中物质的分布跟我们想的不一样,并不像我们太阳这样,质量都集中在了恒星的身上,因此我们不能光考虑能够看到的物质,那些看不到物质,比如:气体云、尘埃、行星、褐矮星、黑洞,还有发光能力比较弱的中子星、白矮星之类的天体,都能产生非常强引力,如果把这些东西都考虑进去的话,是不是就能解释质量缺失的问题了。所以,接下来的工作就是要对宇宙进行一次人口大普查,看看里面都有啥,大概占了多少比例,能不能把这个质量差异给它抹平了。

第二种想法就比较冒进了,它认为没有质量缺失,只是我们现在所掌握的引力理论在太阳系这种小尺度上很好用,但要是放到星系、星系团这样的大尺度上就不管用了。所以我们需要对引力理论做出轻微的修正,以符合星系自转的情况,但是修正后引力理论,还必须能都解释以前已经解释的问题,你不能说,解释了星系的自转以后,却解释不了的太阳系的运动了,这肯定不行。

第三种想法就认为,引力理论没有问题,是质量缺失了,但缺不是我们能够想到的任何物质,而是一种我们目前还没有发现的一种新粒子,这种新物质大量的弥散在星系的周围,为星系的自转提供额外的引力。

那么到底是那种情况?鉴于暗物质这个话题比较大,所以这得分好几期才能说清楚,那么今天的内容就先到这里。

来源:量子科学论

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