什么是暗物質(zhì)

郭紅鋒

暗物質(zhì)、黑洞、蟲洞、外星人、時(shí)間旅行等等，都是當(dāng)前科學(xué)界最熱門的話題，也是最前沿的研究領(lǐng)域。很多同學(xué)都想了解這些方面的信息，但連科學(xué)家都沒(méi)搞清楚的問(wèn)題，我們?cè)趺茨苤v清楚呢？但我們可以給同學(xué)們介紹一些背景知識(shí)，讓同學(xué)們了解一些最新的研究進(jìn)展。

暗物質(zhì)概念的提出

天文界公認(rèn)的給出暗物質(zhì)量化概念的，是美國(guó)加州理工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基。1933年茲威基在研究后發(fā)座星系團(tuán)時(shí)，用2種方法估算了后發(fā)座星系團(tuán)的總質(zhì)量，結(jié)果用星系物質(zhì)之間引力關(guān)系計(jì)算出來(lái)的質(zhì)量，要比用光度測(cè)量分析得到的發(fā)光物質(zhì)總質(zhì)量大400倍！如此巨大的誤差只能有一個(gè)解釋：發(fā)光星體的質(zhì)量只是星系團(tuán)質(zhì)量的一小部分，還有很大一部分質(zhì)量是看不見(jiàn)的或者說(shuō)是未知的，于是他把這叫作“短缺質(zhì)量”。雖然與茲威基同時(shí)代的人也有類似的研究支持他的結(jié)論，但這一概念以及突破性的結(jié)論在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起學(xué)術(shù)界的重視。

直到20世紀(jì)60～70年代，美國(guó)女天文學(xué)家薇拉·魯賓對(duì)仙女座大星系（M31）的星系旋轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了測(cè)量，也就是測(cè)量距離星系中心不同半徑處物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度，才得到圖2的所示結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)是距星系中心的距離，縱坐標(biāo)為旋轉(zhuǎn)速度，圖中白色曲線是理論計(jì)算的曲線，紅色是實(shí)際觀測(cè)的曲線。

從實(shí)測(cè)的不同半徑處物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度關(guān)系圖（見(jiàn)圖2）中可以看出，離星系中心不同距離處的天體，圍繞中心旋轉(zhuǎn)的速度都差不多，星系外圍的繞轉(zhuǎn)速度明顯比計(jì)算得到的要快很多。薇拉·魯賓又觀測(cè)了其他星系，其旋轉(zhuǎn)曲線全部都是平直的。而隨后其他射電天文學(xué)家們對(duì)25個(gè)其他星系的觀測(cè)中，發(fā)現(xiàn)有22個(gè)星系的旋轉(zhuǎn)曲線都是平直的。科學(xué)家們有理由認(rèn)為，宇宙中存在著我們看不到的物質(zhì)，為彌散于星系各處的天體和氣體提供著引力。如果沒(méi)有這部分“看不見(jiàn)的物質(zhì)”的作用，那么這些星系團(tuán)的引力就不足以將其中的星系像現(xiàn)在我們觀測(cè)到的這樣束縛在一起。在這之后，科學(xué)家們也從更多的方面發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的證據(jù)，證明大量的“觀測(cè)之外”的物質(zhì)質(zhì)量甚至比我們“看得到”的還要大。20世紀(jì)80年代，科學(xué)家正式提出了“暗物質(zhì)”這個(gè)名詞。

引力透鏡——測(cè)量暗物質(zhì)的有效方法

雖然科學(xué)家通過(guò)理論證明了暗物質(zhì)的存在，但還是無(wú)法探測(cè)到它的真實(shí)面目。暗物質(zhì)之所以稱為“暗”，是因?yàn)樗鼛缀醪话l(fā)光，也不參與電磁相互作用，所以即便是我們現(xiàn)在已經(jīng)擁有幾乎是全部電磁波段的觀測(cè)手段，也拿這些暗物質(zhì)束手無(wú)策。

但科學(xué)家還是想了很多辦法來(lái)抓住它，即使無(wú)法直接看到它，天文學(xué)家們也能另辟蹊徑，通過(guò)引力相互作用來(lái)找尋暗物質(zhì)。根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，光線經(jīng)過(guò)強(qiáng)引力場(chǎng)時(shí)將會(huì)發(fā)生彎曲。如果從遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光線，經(jīng)過(guò)有暗物質(zhì)的中間區(qū)域到達(dá)地球，那么在地球上的觀測(cè)者將會(huì)發(fā)現(xiàn)星系的影像發(fā)生改變，這就是有效而直觀地探測(cè)暗物質(zhì)的方法——引力透鏡。

引力透鏡因類似于光學(xué)透鏡的匯聚效應(yīng)而得名。引力透鏡效應(yīng)是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論所預(yù)言的一種現(xiàn)象：時(shí)空在大質(zhì)量天體附近會(huì)發(fā)生畸變，使光線在大質(zhì)量天體附近發(fā)生彎曲。如果在觀測(cè)者到光源的視線方向上有一個(gè)大質(zhì)量的前景（例如暗物質(zhì)）使得遠(yuǎn)處光源的光線彎曲，就好像是一面透鏡放在觀測(cè)者和天體之間一樣，使觀察者看到的遙遠(yuǎn)天體的圖像發(fā)生了畸變，這種現(xiàn)象被稱為引力透鏡效應(yīng)（見(jiàn)圖3）。

假設(shè)我們觀測(cè)到的遠(yuǎn)方星系物質(zhì)與我們之間隔著一層看不見(jiàn)的暗物質(zhì)，那么我們實(shí)際看到的就是被引力透鏡彎曲了的背景星系，這就可以判定造成光線彎曲的前景（暗物質(zhì)）的質(zhì)量分布。在觀測(cè)中實(shí)拍的宇宙圖片中，具有引力透鏡效果的例子是很多的，例如圖3中的那些弧形，就是引力透鏡效應(yīng)的結(jié)果。經(jīng)過(guò)計(jì)算，前景星系（暗物質(zhì)）的質(zhì)量遠(yuǎn)大于用光度推算的質(zhì)量。通過(guò)對(duì)引力透鏡現(xiàn)象的研究，人們發(fā)現(xiàn)了大量暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

其實(shí)有一些看不見(jiàn)的物質(zhì)，也不是什么大不了的事，比如在遙遠(yuǎn)的太空也看不見(jiàn)我們的地球、水星、火星等其他一些自身不發(fā)光的星球。但是暗物質(zhì)是不一樣的，從實(shí)際計(jì)算和觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，“看不見(jiàn)”的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比想象的大得太多，難以用一般的理論推測(cè)去解釋，故而才會(huì)被重視并命名為“暗物質(zhì)”。根據(jù)天文學(xué)的各種推算，組成星系團(tuán)的質(zhì)量中，暗物質(zhì)的比例超過(guò)80%。

此外，關(guān)于暗物質(zhì)的研究進(jìn)展，同學(xué)們還可以結(jié)合本期“太空課堂”欄目相關(guān)文章進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。最后，給同學(xué)們留下一個(gè)思考的問(wèn)題：黑洞是暗物質(zhì)嗎？請(qǐng)發(fā)郵件到郵箱chinahou@bao.ac.cn，記得要寫清你的聯(lián)系信息（姓名、學(xué)校、電話等）哦，我們會(huì)按照你的要求，及時(shí)回復(fù)的。