暗物質的天文證據

袁強

稱量天體系統的質量

測量遙遠天體的質量是一件不容易的事。19世紀以來，天文學家們一直在做著這方面的嘗試，所基于的原理是牛頓萬有引力定律和牛頓第二定律，即通過觀察天體的運動來推斷天體的質量。

海王星的發現就是一個著名的例子。在19世紀前期，人們知道太陽系有七大行星，行星繞著太陽做橢圓軌道運動，根據牛頓引力定律，我們可以精確地計算出每個行星如何運動，包括行星之間的相互影響。對行星運動的觀測也達到了相當精確的程度，而且觀測和理論預期相當符合，一切事情看起來都很合理。然而，最外圍的行星——天王星，它的運動軌跡似乎有點不那么完美，和理論預期相比較總有一些偏差。人們提出猜測，在天王星外圍可能還存在一顆行星，它的引力影響了天王星的運動。1845-1846年，英國天文學家約翰·柯西·亞當斯和法國天文學家烏爾班·勒維耶根據天王星的軌道計算出了這顆未知行星的軌道。隨即，德國天文學家約翰·加勒果然在他們預計的位置發現這顆新行星——海王星。

海王星的發現是牛頓力學的一次偉大勝利，而通過天體運動來觀測未知天體并稱量它們的質量也成為一種標準的做法。19世紀末至20世紀初，天文學家廣泛使用這種辦法來估量銀河系星體的質量。這些天文學家的代表人物包括恩斯特·奧匹克、雅各布·卡普坦、詹姆士·金斯、貝蒂爾·林德布拉德和簡·奧爾特等。

暗物質的提出

早在1884年，威廉·湯姆森（也就是開爾文勛爵）根據銀河系中心的恒星運動速度估計出銀河系的天體質量后發現，這一質量比可見的恒星能夠提供的質量要多，于是他提出很多星體可能是“暗星體”這樣的概念。通過測量恒星運動速度的辦法，雅各布·卡普坦在1922年以及簡·奧爾特在1932年也得到銀河系中存在比可見星體質量更多的“暗物質”。這個時期，所謂的“暗物質”是指暗弱的恒星、星云和小天體等星體，由于發光很弱不能被人所見而已。這些早年的工作從科學史上來看無疑是先驅性的，但由于觀測技術所限，測量不夠準確，結果卻也存在一些疑問。而且今天我們已經知道了很多天體除了發射可見光，還可能發射從射電、紅外、紫外、X射線、伽馬射線等不同波段的電磁波譜，它們在當年是不可見的，今天借助于一些儀器而成為“可見”的天體了。

關鍵的證據

瑞士天文學家弗雷德·茨威基邁出了關鍵的第一步。1933年，他在研究后發座星系團的成員星系的運動時，發現這些星系的運動速度超乎尋常的大。這使他不得不給出一個讓人吃驚的結論：后發星座系團中暗物質比可見成員星系加起來的質量大了數百倍，也就是說其絕大部分質量是“不可見”的。1936年，辛克萊爾·史密斯在研究室女星系團時也得到了同樣的結論。盡管站在今天來看，茨威基和史密斯的定量結果“錯”得比較離譜，他們使用了一個過大的哈勃常數，而且我們今天還知道星系團中大部分質量處于不發出可見光的高溫氣體狀態（它們在X射線波段異常明亮），但是他們的研究卻奠定了我們今天所認識到的“暗”宇宙的基礎。

星系旋轉曲線

星系的旋轉曲線指星系在不同位置時天體繞星系中心旋轉速度的分布所構成的曲線。例如在太陽系中，通過將各大行星繞太陽旋轉的速度隨其軌道半徑的關系畫成圖，可以得到太陽系的旋轉曲線（圖2上圖）。根據萬有引力定律和牛頓第二定律，我們知道旋轉速度應該按照反比于根號半徑的方式下降。實際測量結果也非常精確地驗證了這個關系。自然地，到星系層面時大家也會有類似的預期。早在20世紀的上半葉，天文學家就開始進行關于星系轉動速度的測量，然而半個多世紀以來，結論總是模棱兩可，含糊不清。革命性的突破發生在20世紀70年代，新的光譜觀測技術使得測量精度大幅提高，以肯特·福德、維拉·魯賓、肯·弗里曼等為代表的天文學家通過對多個星系的旋轉曲線的測量，逐漸明晰地表明：大多數星系的旋轉曲線在很大半徑處依然平坦延伸，與根據其恒星分布推斷出來的結果迥異（見圖2下圖）。這意味著星系中普遍存在著質量可觀的暗物質，其質量往往比發光物質更大，延伸范圍也更遠。從20世紀80年代起，暗物質的概念已經廣泛為人們所接受了。

宇宙的組分

宇宙作為一個整體，它的演化行為由其組分決定。因此通過觀測宇宙的演化行為，我們可以推測宇宙的組成成分。其中一種辦法是通過超新星這樣的天體來測量宇宙的膨脹速率。所用的天體是超新星的一個子類，稱為“Ia型超新星”。這類超新星有一個巨大的優點，它們的總輻射光度都差不多，天文學家將其形象地稱作“標準燭光”。那么實際測量到的超新星的亮度其實就反映了它們的距離，也對應于超新星爆發的時間。另外，通過超新星的光譜線的波長，我們還可以定出它們的紅移（指物體的電磁輻射由于某種原因波長增加的現象，反映的是宇宙的大小）。根據這個距離-紅移的關系，我們便可以得到宇宙在不同時刻的膨脹速率，從而得到宇宙的組分。觀測超新星的最重大的成就是發現了宇宙的加速膨脹，而宇宙加速膨脹需要一種現在稱作暗能量的東西來驅動。進行該項研究的3位領銜科學家——索爾·珀爾馬特、布萊恩·施密特和亞當·里斯因此獲得了2011年諾貝爾物理學獎。除了超新星，還有很多的宇宙演化測量手段，包括微波背景輻射的各向異性分布、大尺度結構的演化、重子聲學振蕩、微引力透鏡效應等。迄今多種宇宙學觀測的結果一致描繪出了一個標準的宇宙圖景，即“LCDM”，意為“宇宙學常數（也稱暗能量）+冷暗物質”的宇宙模型。

2013年3月21日，歐洲普朗克宇宙探測器團隊發布了新的全宇宙微波背景圖。圖像表明，宇宙的年齡比研究人員之前的推測稍微古老一些。這張宇宙的“嬰兒照”將細微的溫度變化鐫刻在深空中。鐫刻下的印記反應出宇宙在初始時期“泛起的漣漪”，這些“漣漪”帶來了由目前星系團和暗物質組成的廣袤的宇宙網絡。該團隊推算，宇宙的年齡為137.98±0.37 億歲，由4.9%的普通物質、26.8%的暗物質和68.3%的暗能量組成（見圖3）。

在這些天文證據的面前，暗物質的面目逐漸清晰起來。