很多科学家都在努力发现暗物质,一种只能间接观察不发光也不吸收光的无形粒子,但从未捕获过。搜寻暗物质始于最近一个世纪前,天文学家有了深入夜空观察的工具,但问题出现了。

奥运会田径比赛的链球项目,铜球上安着链子,运动员两手握着链子,经过预摆和3~4圈连续加速旋转及最后用力,将链球掷出,谁掷得远谁就胜。如果铜球被加速到一定程度,链子会不会断裂,铜球不再按照运动员的预期轨迹而自行飞离?答案是会的。但如果链子足够牢靠,且运动员的手有足够的力抓紧链子,链球就飞不出去,此时球跟着运动员同向同幅度运动。

当时埃德温-哈勃震惊了世界,宣布宇宙远不止银河系。在天文学家发现新的星系的同时,加州理工学院教授弗里茨-兹维基仰望后发星系团周边,观察到了一些奇怪的东西。在他测量后发星团运动的时候,他得出了那个星团有多少质量的估计值,星系在星团里运动迅速,相对他能看到的发光物质的数量,那里应该有发光物质160多倍的物质来解释星团里的星系的随机速度,有别的什么东西在影响着它们的运动,是什么东西呢?

宇宙中天体运行也像链球运动。在地月系统,地球是运动员,引力是链子,月球是链球;在太阳系,太阳是运动员,引力是链子,八大行星是链球;在银河系,银河系所有物质是运动员,物质形成引力,将各个恒星系甚至是在银河系边缘的星体紧紧抓着,绕着银河系中心做运动;再想广阔些,银河系也是一个链球,被室女座超星系团这个极为硕大的运动员牵引着绕着其中心运动。当然,我们还可以想的再广阔些……宇宙的天体运行结构大体如此。

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万有引力让宇宙天体有秩序的运行,天文学家们认为它们运动的很有规律一切都很和谐,很好很好,直到1937年的一天有一个叫兹威基的天文学家观察了“后发座星系团”。兹威基所观察的后发座星系团,是一个孤立的、有许多星系的星系团,距离地球约3亿光年。他利用几十个星系的运动作为跟踪器,探测整个星系团组合在一起的引力场,发现它们的平均速度大得令人咋舌。速度大,那么引力必然很强,也就意味着后发座星系团的质量必定非常大。但兹威基把后发座星系团可见物质质量总量估算出来,发现远远小于从速度推算出来的质量总量。这也就是说,按后发座星系团可见物质总量所产生的引力,无法让星系团边缘的星系围绕着星系团运动,这些速度快得惊人的星系应该早就飞出去了。链球速度太快,那个运动员抓不住了,链球嗖的一声飞走了。“质量短缺?!”兹威基提出了这个问题。之后几十年,其他天文学家通过观察和测算,发现其他星系团也显示了同样的问题。

他分析了它们的运动,断定那个星团并不稳定,除非有大量的暗物质存在,在当时的1933年他是最早真正领悟暗物质存在意义的人之一,他称之为“失踪的物质”!

牛顿说,那怪我咯?不能,牛顿的理论经过250年的检验通过了所有的测试。

暗物质,一种无形的物质,具有万有引力的吸引力,能够影响到星团里全部星系的速度,但是这一发现很大程度被忽视了。人们把兹维基当真但是他们不敢妄下结论,那时宇宙才刚刚开始探索,直到1920年代我们才认识到我们的星系以外还有星系,我们过去不知道它就是星系还是恒星,气体,尘埃,因为我们无法看到它是不是什么完全不同的东西。

爱因斯坦说,那怪我咯?也不能,星系团的引力虽然强大,但还没有突出到需要用爱因斯坦广义相对论重锤来加以解释。

兹维基的意见基于测量恒星和星系的质量,但是如何在太空中称物质的重量呢?我们不可能将太阳放在天平上,但是我们可以测量行星围绕太阳运转的速度,太阳里的物质越多,行星必定会在自己的轨道上运转度越快。

那总得找个解释吧?

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1976年,一个叫鲁宾的女天文学家通过观测,推断必然存在着某种形式的暗物质,充满着整个星系。她研究了恒星绕着星系中心转动的速度,发现星系的可见部分中,越往外的恒星,速度就越快(这个很容易理解,链子10cm和10m,链球速度是完全不一样的,链子越长,链球就越快)。但她发现,处在星系圆盘之外的一些孤立的气体云和明亮的恒星,它们的轨道速度,本应该随着与中心的距离增加而下降甚至到将为零(引力大小与两者距离的平方呈反比),而事实上,其速度依然很高(这个理解有些难,运动员拉着链子在转,链球随之运动,突然他发现竟然有一个铜球在链球之外与链球同步运动,而那个铜球没有链子)。鲁宾认为星系中和星系边缘,存在着暗物质,而且这些暗物质远远超过星系可见的边缘,这些暗物质在星系周围形成了一种“晕”(如下图1,蓝色的云一样的就是想象中的暗物质形成的晕)。如果难理解,我们可以想个煎荷包蛋的画面,把整个星系想象成一个平底锅,星系可见部分是一个荷包蛋,荷包蛋之外的部分就是暗物质,暗物质形成了“晕”包围和充斥着星系。(如下图2)

牛顿和爱因斯坦都说过,一个物体中的质量或东西越多,其所具有的万有引力就越强,而且物体距离其中心越远,在轨运行就应该越慢,那是因为万有引力较弱的缘故。

图1:暗物质形成的晕

根据爱因斯坦的广义相对论,乃至牛顿的万有引力理论,所有的星系都相互吸引着。就像太阳影响着我们的太阳系,太阳的质量拽拉水星要快于冥王星,因为水星的位置更靠近太阳。同样的,对于一个星系来说,我们可以预料到,越远的星体在轨道上的运动也就会越来越慢。

威尼斯娱乐网站,图2:星系的可见部分是荷包蛋

但是兹维基并未观察到这个情况。同样几十年后的一个年轻科学家维拉-鲁宾也没有观察到,她在观测类似银河系这样的星系的旋转曲线时,与兹维基一样她的意见同样看似很怪异。鲁宾实际测量到的是随着距离越来越远,旋转的气体与尘埃的速度始终如一。

存在着暗物质,这个解释,让天文学家们觉得对对对。但暗物质到底是什么呢?找不到这些东西,没搞清楚,就像高考时解不出最后两道数学题,心里那个难受。

鲁宾观察到的就好像城市比作星系,路上的每一辆汽车就是行星或恒星,不管交通流量如何,整个城市里的每辆汽车的速度都是相同的,这种同样恒定的运转速度不管物质的量,交通量如何都是一样的。

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星系的外围部分运转得够快,必定会有更多的物质,否则星系会飞散。唯一解释这个星系快上10被的悖论的途径就是假设那里有一个光晕,一个无形物质组成的光晕围绕着星系,保持着星系的完整。暗物质存在于星系中,它具有足够的质量来保持恒定的运转速度。

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