神秘莫測的暗物質

侯明東

20世紀90年代.天文科學家根據觀察得出了一個驚人的結論：宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量.暗物質占宇宙25%.暗能量占70%，通常所觀測到的普通物質只占宇--宙質量的5%.這個結論與我們傳統的認識相去甚遠.我們現在已知的一切行星、恒星、星系、黑洞……這樣一個龐大的我們能看到的宇宙僅僅是真正宇宙的5%.真讓人不可思議.

一個令人難以置信的結論

科學的大發現往往是與感官的直覺相沖突的.400年前哥白尼提出日心說的時候.很少有學者認為這是對宇宙的真實描述.明明看到的是太陽每天東升和西落.怎么會是地球圍繞太陽轉呢？人們花了幾代人的時間才接受了日心說，為了宣傳、捍衛和發展哥白尼的學說.布魯諾甚至付出了生命的代價.達爾文提出生物進化論時曾遭到反對者的嘲笑.辱罵達爾文是“與猴子有血緣關系的人”.《物種起源》出版已經過去150多年了.人們還繼續爭論著進化論的對與錯.不過.我們的祖先是類人猿，這并非是異想天開.有大量的化石和標本，以及生物學、地理學、遺傳學、古生物學等各個學科的研究.都支持這一結論.

暗物質的提出盡管“駭人聽聞”.然而我們必須改變我們的傳統認識。接受這一新的觀點，雖然我們還不知道暗物質和暗能量是什么.因為這一理論不是某個人頭腦發熱的突發奇想，而是有科學事實依據的.是建立在天文觀測數據的基礎上的.既然暗物質“看不見”。人們又是怎么覺察到它的存在呢？

暗物質存在的證據

1933年，瑞士天文學家茲威基在觀測距離地球3.2億光年的“后發座星系團”時.發現在大星系團中星系運動速度非常大.用星系團中所有看得見的物質算出的引力遠不能束縛住它們，除非將星系團質量增大100倍以上.這個發現首次暗示有大量的完全不同于我們所熟知的另類物質的存在.我們把通常所知的普通物質稱為重子物質.其質量主要由質子、中子提供，而把這種未知的另類物質稱為暗物質.

后來，天文學家同時用“光學方法”和“力學方法”來測量許多天體的質量.“光學方法”的原理是：恒星的亮度與它的質量相關.恒星的質量大，內部的壓力和溫度就高，產生核聚變反應的效率也高.因此，通過恒星的亮度就可以求出恒星的質量.“力學方法”的原理是：處于星系團內部的星系朝著各個方向不停地運動，但整個星系團總質量所產生的引力拉拽著高速運動的星系。使其不會飛出星系團.星系的速度越大，需要的引力也越大.所以從星系運動速度的平均值就能求出星系團的全部質量.科學家通過兩種方法測量的結果發現.用力學方法測出的質量總比用光學方法測出的質量大幾百倍.也就是說.在星系團中存在著大量的“看不見的物質”.正是這種看不見的物質所產生的引力像鎖鏈一樣使星系保持在星系團之內.

1980年前后.美國天文學家魯賓等人對許多星系的旋轉速度進行了詳細的觀測研究.發現了奇怪的現象.按照常理.如果一個系統的主要質量集中在中心的話.離中心近的地方要比遠的地方引力大.物體需要更大的旋轉速度.用離心力抵消引力.才能不被吸引到中心去.魯賓觀測的仙女座星系也是在中心部分集中了最多的可見質量.本以為在這個星系中也是離星系中心的地方旋轉速度大.但通過比較仙女座星系的氣體旋轉速度.發現從中心到外圍其數值基本沒有變化.確鑿地證明除了在星系中心附近的發光物質以外.在遠離中心甚至在星系暈中均還有大量暗物質存在.

此外.引力透鏡效應的觀測研究.也能得出同樣的結論.一個遠處天體所發出的光.在達到觀測者之前必然要受到中間天體的引力透鏡作用.所以.觀測者所看到的像.不僅反映了作為“光源”的遠處天體的性質.同時反映了作為“透鏡”的中間天體的性質.從天文學家觀測到的大量引力透鏡現象.也可以看出中間天體應包含有大量的暗物質.

以上事實表明.暗物質存在的天文觀測證據已相當豐富.宇宙中有太多不用暗物質我們就無法解釋的東西.暗物質是星系的鎖鏈.沒有暗物質的宇宙模型是無法成立的.

什么是暗物質

天文學上已證實了暗物質的存在.這一科學的推斷已被人廣泛接受.但什么是暗物質呢？暗物質與一般的普通物質有著根本性的區別.在我們的生活中.看不見的東西很多，比如，空氣就看不見，但我們可以通過壓力或浮力感知它的存在.也可以通過旗幟的飄動或帆船的航行感知它的存在.再比如.電磁波中我們僅能看到占其中很少部分的可見光，其他波段的電磁波如伽馬射線、x射線、紫外線、紅外線、微波等我們都看不見.但是我們可以借助特定波段的感光元件來探測它們.而暗物質的“看不見”是完全不同的.到目前為止.無論用什么波段的光去觀測.我們都看不到暗物質.也就是說.暗物質沒有發出任何可以被探測的光.

無論用什么樣的望遠鏡都看不到它的真容.但它卻一直通過引力極大地影響著周圍天體的運動.暗物質是宇宙中“看不見的統治者”，它對恒星、星系等天體的誕生起著重要作用.科學家已證明黑洞、褐矮星都不是暗物質.并且它們的總質量也達不到星系總質量的10%.此外.科學家還知道暗物質不可能是由原子構成的物質.宇宙早期存在的組成原子的質子和中子遠遠達不到暗物質所需要的量.這些暗物質的候選者都落選了.

那么.要成為暗物質至少應具備以下四點條件.首先.暗物質不發射任何波長的光，既不發射光子.也不吸收或散射光子.是實實在在的“暗”.其次.暗物質幾乎與所有的東西（包括原子或其他的暗物質）都不發生碰撞，也不參與電磁作用.而是直接穿過物體。人們目前只能通過引力產生的效應感受它的存在.第三.在宇宙早期.暗物質的速度幾乎是零.是運動得非常慢的冷暗物質.第四.暗物質在宇宙中存在的數量非常大.約是可見物質的5倍.可見雖然暗物質存在的數量如此龐大.可是我們要想確實捕捉到這種神秘的物質.還需要特別的手段.

責任編輯 林洋