暗物質研究的五十年

20世紀70年代，美蘇雙方的研究團隊都提出假設，一種未知的物質可能構成了

宇宙中的大部分質量。

1974年發表的兩篇論文改變了我們對宇宙面貌的認識。兩篇文章由美國和愛沙尼亞的兩個團隊獨立撰寫，并且都指出星系的質量和范圍是以前認為的10倍。這兩個小組結合了各種天文觀測結果后給出結論：宇宙的大部分質量都隱藏在星系周圍的不可見空間中。這進一步說明，宇宙本身也比以前認為的要重10倍，這可能會改變人類對宇宙命運的理解。1999年《天體物理學雜志》百年刊上的一篇評論寫道，這一觀點是“我們對星系結構、星系形成和宇宙學理解的分水嶺”。可以說，50年前的這兩篇論文讓我們發現了暗物質的存在。

如今，暗物質不僅是現代宇宙學的支柱之一，也是其核心難題之一。分布在整個宇宙中的不可見物質的存在是理解宇宙結構和演化的關鍵：它解釋了星系是如何運動的，以及它們最初存在的原因。但與此同時，經過幾十年的專門研究和實驗，暗物質的確切性質——這些物質實際上是由什么組成的——仍然未知。目前，數十項大規模的國際實驗工作，包括在地下礦井和空間站的實驗，正試圖探測一些暗物質候選者存在的證據。1974年的那兩篇論文構成了這些想法的基礎，開創了我們在理解宇宙的征程上一個令人振奮的新時代。

我們來說一說這兩篇論文是如何提出暗物質理論的。這個故事與通常的暗物質研究歷史不同，后者通常以天文學家弗里茨 · 茲威基（Fritz Zwicky）和薇拉 · 魯賓（Vera Rubin）的角色為中心。在20世紀30年代，茲威基發現，如果沒有額外的質量，星系團中的星系是不穩定的。而在20世紀70年代，魯賓觀察到星系的旋轉速度比它們的發光質量給出的速度要快。天文學教科書通常利用這些觀測結果作為暗物質存在的證據。

但事實和觀測并不能真正說明歷史的細節。為了理解暗物質的起源，我們需要知道茲威基、魯賓和其他人之前的觀察結果是如何被解釋為暗物質存在的證據的。它們是在什么樣的背景下被用來證明宇宙中有大量的缺失物質的？是誰開始關注到這些，原因又是什么？這些事實際上是50年前在美蘇雙方獨立發生的。

尋找兩個數字

一部分故事始于一位多產的年輕天體物理學家杰里邁亞 · 奧斯特里克（Jeremiah Ostriker）。作為一名研究恒星的專家，奧斯特里克于1959年獲得哈佛大學物理和化學學士學位，然后在芝加哥大學跟隨蘇布拉馬尼揚 · 錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）攻讀博士學位。錢德拉塞卡以恒星天體物理學的開創性工作而聞名，這使他獲得了1983年的諾貝爾物理學獎。在錢德拉塞卡的領導下，奧斯特里克開始了恒星及其自轉方面的研究。他博士階段的研究表明，恒星在解體前旋轉的速度有一個嚴格的限制。在劍橋大學短暫工作后，奧斯特里克于1965年在普林斯頓大學獲得助理教授職位，在那里他繼續投身于恒星物理學方面的工作。

奧斯特里克的研究領域——恒星的性質和演化——自20世紀30年代以來一直是天文學的主要研究方向。但該領域的焦點在20世紀60年代開始迅速轉移。在冷戰時期技術發展的幫助下，天文學家開始通過電磁波譜的觀測為研究宇宙打開新的窗戶。人們對愛因斯坦的廣義相對論重新產生了興趣。天文學工作人員急劇增加，新一代研究人員開始觀察銀河系內外的新現象，包括類星體、脈沖星和宇宙微波背景。宇宙學成為年輕天體物理學家的全新研究焦點。

包括奧斯特里克在內的新一代人開始與埃德溫 · 哈勃（Edwin Hubble）的經典宇宙學研究分道揚鑣。艾倫 · 桑德奇（Allan Sandage）在1970年2月的《今日物理》文章標題中稱之為“尋找兩個數字”：測量宇宙膨脹的哈勃UBSbVDlE++xBkTcttfydxmLKlZROe3bhn5krQTjWtXM=常數，以及量化膨脹放緩速度的減速因子。20世紀60年代末，新西蘭天文學家比阿特麗斯 · 廷斯利（Beatrice Tinsley）及其同事發現，星系的亮度會隨著年齡的增長而變化。正如奧斯特里克在一次采訪中回憶的那樣，這項工作引起了人們對傳統想法的“懷疑”。“突然間，我們意識到星系會演化。”他說。隨著這一發現，哈勃的一些經典宇宙學測試被認為是不可靠的。相反，研究人員開始利用觀測來研究星系及宇宙中存在的許多物理過程。

到1971年，當奧斯特里克被提升為普林斯頓大學的正教授時，他已經將注意力從恒星轉移到了星系。他利用自己在恒星演化方面的專業知識，展示了恒星演化過程如何影響星系在其生命周期內的總光度。奧斯特里克深入研究的另一個問題則是受到了他關于旋轉恒星的研究生工作的啟發：旋轉星系如何在其生命周期內保持穩定？然而，要回答這個問題，需要用計算機對星系進行建模——奧斯特里克對此并不熟悉。他轉向同事詹姆斯 · 皮布爾斯（James Peebles）尋求幫助。

星系能存活嗎？

皮布爾斯在加拿大曼尼托巴省溫尼伯出生并長大，在1958年到普林斯頓大學學習物理之前，他獲得了曼尼托巴大學的學士學位。盡管皮布爾斯最初從事粒子物理學研究，但他最終被引力物理學家羅伯特 · 迪克（Robert Dicke）的工作吸引。1960年，迪克以其獨特的實驗測試不同的引力理論的方法而聞名。1964年，迪克要求皮布爾斯考慮宇宙早期炎熱而稠密的環境中潛在殘留物的后果，即天空中可觀測到的宇宙微波背景。1965年觀測到宇宙微波背景時，皮布爾斯正經歷現代大爆炸理論的搖籃時代。作為新的“物理”宇宙學的先驅之一，他研究了大爆炸中核元素的合成、星系的形成和宇宙結構等方向，并因此獲得了2019年諾貝爾物理學獎。

當奧斯特里克敲門時，皮布爾斯剛剛從美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯著名的核研究設施回來，在那里他被邀請幫助研究1969年一顆衛星探測到的高能伽馬輻射的閃光。（盡管探測器是一顆用于監測核武器試驗的衛星，但那次閃光后來被確認為是首次探測的伽馬射線爆發。）皮布爾斯很好地利用了這次訪問：他使用了該設施的超級計算機——它通常用于模擬核武器和爆炸——首次模擬了宇宙中的星系團。結果表明，在重力作用下，均質的物質濃湯會逐漸結塊。

回到普林斯頓后，根據奧斯特里克的建議，皮布爾斯利用他的計算機穿孔卡的靈巧性，“敲出了一些多體結構”。準確地說，是500個物體：他的模型通過使用重力作用下在圓盤中移動的星狀粒子來模擬星系的穩定性。奧斯特里克和皮布爾斯很快發現，他們模型中的旋轉星系“快速且非常不穩定”。在他們的計算中，恒星盤在單次旋轉后就會解體。

一定有些不對勁的地方。眾所周知，銀河系的存在時間比一次自轉要長得多。那么，它是如何在真實的宇宙中生存下來的呢？他們認為，需要重新思考星系質量的分布。他們沒有假設所有質量都位于明亮的圓盤中，而是認為更多的質量位于星系的球形凸起中，他們稱之為“暈”。這個暈將有助于在星系旋轉時保持穩定。

很少有星系動力學家對奧斯特里克和皮布爾斯的新想法充滿熱情。除了其他懷疑的原因外，大家尚不清楚他們的分析是否適用于所有星系。它能解釋那些不是旋轉對稱的星系嗎？如果可以，那么一個巨大的光環是防止不穩定的唯一方法嗎？許多天文學家同意麻省理工學院天文學家阿拉爾 · 圖姆雷（Alar Toomre）的觀點，他在奧斯特里克和皮布爾斯于1973年發表論文的幾個月后稱這一想法為“一次真正的偏頭痛”。

宇宙的質量

盡管奧斯特里克和皮布爾斯的論點仍然存在爭議，但它成功地激勵了當時休假的以色列特拉維夫大學講師阿莫斯 · 葉希爾（Amos Yahil）。葉希爾于1970年在加州理工學院獲得了博士學位，但他對粒子物理學領域的研究并不滿意，于是轉向了宇宙學。1971年至1973年，他在新澤西州普林斯頓高級研究所做博士后時，開始研究宇宙中的質量分布，而這被認為是理解膨脹宇宙命運的關鍵參數之一。宇宙是否“開放”，即它是否會永遠膨脹？或者它是“封閉的”，這意味著它的質量如此之大，以至于在遙遠未來的某個時候，重力會導致它再次坍塌于一點？

為了研究宇宙的質量分布，葉希爾開始對星系團進行建模。盡管其他研究人員使用清晰的空間邊界對星系團進行了建模，但葉希爾觀察到了一些奇怪的現象：星系計數表明星系團沒有明確的截止點。換句話說，星團的密度似乎沒有明顯的空間上的臨界點。1972年，在聽了奧斯特里克關于大質量星系暈可能性的演講后，葉希爾開始懷疑星系是否像星團一樣，也缺乏質量突然結束的明確臨界點。他向奧斯特里克發送了一份關于這一主題的草稿，開始了他們成效顯著的合作。

奧斯特里克本人也受到了暈想法的啟發。他在一次采訪中回憶道：“如果圓盤不主導星系質量內部，那么也許它也不會主導外部。”奧斯特里克和葉希爾開始合作，看看他們的想法是否真的成立。如果一個球形暗成分在星系的外緣總是占主導地位，該怎么辦？兩人很快邀請剛剛寫了一本關于宇宙學和宇宙質量分布的教科書的皮布爾斯加入他們的合作。

該團隊從各個天文學子學科收集了星系質量的動態測量數據。這些測定基于解釋宇宙物體運動所需的引力。它們包括星系對、小星系群和大星系團以及旋轉星系。三人發現，星系質量的動態測量值隨著星系半徑的增加而不斷增加。換句話說，測量得越遠，系統質量就越高——即使是星系發光盤之外的測量結果。他們在1974年10月發表的論文中得出結論：“普通星系的質量可能被嚴重低估。”星系沒有明確的邊界，但被延伸的、看不見的大質量暈包圍著，它們可能是“暗淡的恒星”。加在一起之后，這些隱藏的暈大大增加了宇宙的質量，這表明宇宙可能是封閉的。

蘇聯一側的平行研究

在蘇聯，普林斯頓以東近6500公里處，也得出了類似的結論。當尤里 · 加加林（Yuri Gagarin）于1961年進入太空時，蘇聯正在陸地上培養一支強大的宇宙物理學隊伍。它的主要推動者之一是雅科夫 · 澤爾多維奇（Yakov Zeldovich），一位以20世紀40年代蘇聯核彈項目工作而聞名的物理學家。他開始召集一群聰明的物理學家來解決宇宙問題。與迪克在美國的團隊并行工作期間，澤爾多維奇和他的團隊很快因其在中微子、類星體、黑洞和宇宙微波背景方面的工作而享譽國際。澤爾多維奇在莫斯科國立大學斯特恩伯格天文研究所每周兩小時的研討會成為宇宙學研究的中心，吸引了來自蘇聯各地的科學家。

1971年，一位名叫詹 · 埃納斯托（Jaan Einasto）的42歲的天文學家主持了斯特恩伯格研討會，他從距離塔爾圖市20公里的小鎮托拉維爾乘火車前往當時的愛沙尼亞蘇維埃社會主義共和國。塔爾圖天文臺原來位于托拉維爾城內，1964年遷至城外，埃納斯托在遷址過程中幫了忙。愛沙尼亞的天文遺產可以追溯到19世紀初，當時著名的波羅的海德國天文學家弗里德里希 · 馮 · 斯特魯夫（Friedrich von Struve）通過對雙星的觀測幫助塔爾圖天文臺聲名鵲起。埃納斯托是戰后愛沙尼亞天文學新一代的一員。

埃納斯托受邀前往莫斯科討論星系的新理論模型，這是他在格里戈里 · 庫茲明（Grigori Kuzmin）指導下獲得博士學位以來一直在研究的課題。埃納斯托與廷斯利以及美國其他天文學家并行工作，旨在通過模擬星系的光度和物質分布，從數學上描述和理解星系的演化。最重要的是，他的目標是通過使用已知的恒星群來精確地模擬星系。根據現有的觀測結果，他模擬了恒星群在星系各部分中的分布，如凸起、核心和圓盤等部分。在莫斯科，他舉辦了一場研討會，討論他最近建立的仙女座星系模型。仙女座星系是銀河系最近的鄰居。這引起了澤爾多維奇的興趣，他邀請埃納斯托出席高加索山脈一年一度的蘇聯天體物理學冬季學會。

到1972年，就仙女座星系模型進行了多次對話后，埃納斯托在一次采訪中回憶道，他陷入了“僵局”。他偶然發現了西弗吉尼亞州格林班克國家射電天文臺的射電天文學家莫頓 · 羅伯茨（Morton Roberts）的一篇論文，該論文使用氫云來模擬仙女座星系的自轉。羅伯茨的數據顯示，這些云沿著銀河系邊緣移動得非常快，超出了圓盤中可見的恒星。有什么可以解釋銀河系邊緣的現象？“沒有任何恒星群體的組合能夠解釋星系的自轉數據。”埃納斯托在他的自傳中寫道。這是一個埃納斯托無法解決的問題，直到他與天文臺的一位同事談到了這一點。

高加索地區的一枚炸彈

正是同事、宇宙學家恩 · 薩爾（Enn Saar）幫助埃納斯托上了一堂寶貴的引力物理學課。薩爾是兩名愛沙尼亞漁民的兒子，從小就帶著火柴和報紙步行上高中，以抵御狼群，并對宇宙有著濃厚的興趣。1972年，在宇宙學家阿爾費德 · 撒帕（Arved Sapar）的指導下，薩爾在塔爾圖大學為他的大爆炸宇宙學博士學位答辯后不久，開始與埃納斯托討論星系外緣建模的問題。薩爾在一次采訪中說，“想法有所差異”。他在宇宙學方面的經驗使他認為擴展星系幾乎沒有問題。他說，沒有邊界是“任何引力體的正常狀態”。也許有比肉眼看到的更多的東西，因此星系可以遠遠超出它們的發光盤。

對于埃納斯托來說，薩爾的見解意味著“放棄星系中只存在已知恒星群體的想法”。它們可能被一個性質未知的新群體包圍。埃納斯托和薩爾將這種看不見的群體命名為“星系冕”。埃納斯托在1972年雅典舉行的第一屆歐洲天文會議上提出了他的想法。他在摘要中寫道：“星系可能被巨大的冕包圍著。”埃納斯托提出，“未知物質”可能以“稀薄電離氣體”的形式存在。埃納斯托在一次采訪中回憶道，人們對他在雅典的演講的反應是冷淡的。這種反應讓他下定決心要找到更多的數據來支持他的說法。

在蘇聯，這不是一個小任務。據說，以與卡爾 · 薩根（Carl Sagan）合作而聞名的俄羅斯著名天文學家約瑟夫 · 什克洛夫斯基（Iosif Shklovsky）曾開玩笑說，蘇聯所有的天文觀測都是通過美國的《天體物理學雜志》進行的，因為蘇聯天文學家經常受到天氣條件和設備問題的阻礙。但即使在蘇聯，尤其是在遠離列寧格勒或莫斯科等科學中心的愛沙尼亞，獲得美國期刊也并非易事。埃納斯托經常被迫使用國外旅行津貼來購買《天體物理學雜志》等出版物。

通過對國際文獻的艱苦搜索，埃納斯托發現了長期存在的“茲威基問題”：星系團和星系團中的星系似乎移動得如此之快，以至于它們要么正在爆炸，要么需要大量額外的質量來穩定它們。埃納斯托發現了關于星系群和星系對的數據，這些數據將補充羅伯茨的星系旋轉數據，并有力地證明了看不見質量的冕一定存在。他還了解到，X射線研究表明，星系沒有足夠的電離氣體來解釋其冕中的所有質量。這一知識促使他假設，質量可能由類似新的恒星群體的東西組成。埃納斯托與薩爾和當地學生昂斯 · 卡西克（Ants Kaasik）一起努力計算。

1974年1月，他們在高加索地區澤爾多維奇的年度冬季學會上展示了他們的作品。在歐洲最高峰厄爾布魯士山的背景下，埃納斯托分享了他對星系冕的看法：星系周圍一定有一個未知的非恒星物質群。正如他后來寫道的那樣，這“就像炸彈爆炸了一樣”。澤爾多維奇團隊中狂熱的年輕物理學家立即開始進行粗略的計算：冕可能由氣體或中微子云組成嗎？當埃納斯托、薩爾和卡西克開始為蘇聯天文刊物《天文學通報》撰寫他們的結論時，他們的主持人介入了。“澤爾多維奇堅持認為這必須發表在一些非常重要的期刊上。”埃納斯托在一次采訪中說道。

在澤爾多維奇的建議下，埃納斯托和他的團隊決定將他們的論文翻譯成英文，并將其發送給著名的英國雜志《自然》。“這是一個奇怪的想法，”薩爾說，“因為我們知道這幾乎是不可能的。”這不僅是他們在如此著名的英語期刊上發表的第一篇論文——在塔爾圖，在當地的天文公報《塔爾圖天體物理觀測站通報》上發表結果長期以來一直是標準做法——而且當時，克格勃會徹底檢查每一封發出的國際郵件。

這個過程很無聊：需要避免使用“原子”等簡單的科學詞匯，因為癡迷于保密的克格勃審查人員可能會將它們與核武器聯系起來。研究小組對觀測證據的一項更正在這之后從未被添加進去，因為他們給英國的回信被審查程序擱置，并在《自然》雜志付印后才送達。然而，這篇文章取得了成功。它于1974年7月問世，比普林斯頓大學的研究小組早幾個月。他們寫道：“有證據表明，星系被質量超過已知恒星一個數量級的巨大的冕包圍。”他們的證據還表明，冕假說意味著宇宙的總質量比以前認為的大10倍，這意味著未知的暗物質構成了宇宙中大部分的物質。

從異端到正統

在地球的兩側，埃納斯托和奧斯特里克的團隊獨立地證明了暗物質的存在。盡管在截然不同的政治背景下工作，但這兩個小組都涉及年輕天體物理學家和研究星系的宇宙學家之間的合作。他們提出的證據既不是簡單的證明，也不是像茲威基或魯賓那樣的單一觀察，而是使用不同論據組合的推理。正如皮布爾斯在采訪時所說：“最好的論據是什么？可以說沒有哪個是最好的。這個案例中沒有一個論據是令人信服的，但有如此之多的論據指向了同一個方向。”這兩篇論文是新興的物理宇宙學領域及其跨學科團隊合作以及方法論的典范：將來自不同尺度（從恒星和星系到星系團）的數據和論點結合起來，形成一個統一的宇宙物理圖景。

盡管這些文件具有歷史意義，但并沒有立即受到熱烈歡迎。奧斯特里克說：“人們認為這太瘋狂了。”薩爾回憶說：“大多數天文學家和物理學家根本不喜歡這個東西。”一些天文學家對這些小組使用的部分數據提出了異議。天體物理學家杰弗里 · 伯比奇（Geoffrey Burbidge）公開表達了他對這一想法的厭惡，并在兩篇論文發表幾個月后在《天體物理學雜志》上進行了嚴厲的回應。“與埃納斯托等人和奧斯特里克等人獲得的結果相反，”伯比奇在論文中寫道，“沒有明確的動力學證據表明星系有非常大的暈。”他特別批評了這樣一種假設，即人們可以通過觀察星系的動力學來測量星系的質量。

直到20世紀70年代后期，失蹤物質假說——星系被冕或不可見質量的光暈包圍的想法——才成為天文學和宇宙學思想的主要內容。普林斯頓大學和塔爾圖大學的團隊都在努力爭取，希望他們的提議被接受。1975年，埃納斯托在愛沙尼亞塔林組織了一次會議，與澤爾多維奇和他的學生討論了看不見的冕的可能性。同年，他在格魯吉亞第比利斯舉行的第三屆歐洲天文學會議上設立了一個關于“失蹤質量”的專門會議。1976年，奧斯特里克在美國國家科學院的一次演講中為自己的觀點辯護，他認為“大部分質量不是普通的太陽型恒星，而是其他一些黑暗的恒星”。此時，大多數機構的態度已經有了一百八十度的翻轉。“兩年內，我們從異端變成了正統。”葉希爾說。

1977年后，他們的論點得到了更多的支持。光學和射電天文學家發表了新的星系旋轉數據，顯示出更多看不見的質量的跡象。宇宙學家開始提出理論，認為缺失的物質會影響星系的形成。粒子物理學家將這種神秘物質與宇宙中中微子的潛在背景聯系起來。在這兩種情況下，理論物理學家都接受了質量缺失的證據，并將這一觀點作為支撐宇宙粒子和結構形成理論的核心論點。換句話說，研究人員稱之為暗物質的東西現在是構建宇宙理論的基礎。到20世紀70年代末，這一現實似乎已經不可避免。天文學家珊德拉 · 法貝爾（Sandra Faber）和約翰 · 蓋勒格（John Gallagher）在1979年的一篇評論論文中寫道：“我們認為，不可見物質的發現很可能會成為現代天文學的主要結論之一。”事實確實如此。

資料來源pubs.aip.org

本文作者雅科 · 德斯沃特（Jaco de Swart）是馬薩諸塞州坎布里奇市麻省理工學院的博士后研究員。作為一名訓練有素的物理學家和歷史學家，他目前正在創作一部關于暗物質歷史的著作