暗物質(zhì)是理論上提出的可能存在于宇宙中的一種不可見的物質(zhì)，關(guān)于它，有著許多未解之謎，今天就跟隨我們一起淺談暗物質(zhì)吧。

什么是暗物質(zhì)

暗物質(zhì)是為了解釋觀測與理論不匹配而提出的一個理論假設(shè)。在大量的天文學(xué)觀測中，看上去與現(xiàn)有引力理論相悖的現(xiàn)象中，絕大部分可以通過假設(shè)暗物質(zhì)的存在得以合理地解釋。目前的天文學(xué)觀測和地面物理實(shí)驗(yàn)表明：暗物質(zhì)的基本性質(zhì)是只參與宇宙中的引力相互作用，而不參與（或極其有限地參與）除引力作用之外的任何其他相互作用。

簡單來說，暗物質(zhì)是一種我們可以通過引力感受到，但是幾乎無法用電磁波直接探測到的物質(zhì)。現(xiàn)代天文學(xué)通過天體動力學(xué)、引力透鏡效應(yīng)、微波背景輻射等觀測結(jié)果證明暗物質(zhì)大量的存在于星系、星團(tuán)及宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)中，其總質(zhì)量遠(yuǎn)大于宇宙中全部可見天體的總質(zhì)質(zhì)量，目前的數(shù)據(jù)表明：宇宙中暗物質(zhì)大約占全部物質(zhì)總質(zhì)量的85%，占宇宙總質(zhì)能的26%。

圖1: 宇宙學(xué)家們用超級計(jì)算機(jī)模擬的宇宙中暗物質(zhì)分布圖景，其中亮度表征著當(dāng)?shù)氐陌滴镔|(zhì)密度，亮點(diǎn)為高密度區(qū)，星系和星系團(tuán)將在這些高密度區(qū)中形成。圖片來源：https://phys.org/news/2019-09-artificial-intelligence-probes-dark-universe.html

最早提出暗物質(zhì)可能存在的是天文學(xué)家雅克布斯·卡普坦（Jacobus Kapteyn），他于1922年提出可以通過研究天體系統(tǒng)的動力學(xué)性質(zhì)，間接推斷出星體周圍可能存在的不可見物質(zhì)。

1933年，天體物理學(xué)家福瑞茲·茲威基（Fritz Zwicky）利用光譜紅移測量了科瑪星系團(tuán)（Coma Cluster）中各個星系相對于星系團(tuán)的運(yùn)動速度，結(jié)合維里定理（Viral Theory），茲威基發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)中星系的速度彌散度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論預(yù)言，僅靠星系團(tuán)中可見星系的質(zhì)量產(chǎn)生的引力是無法將其束縛在星系團(tuán)內(nèi)的，因此星系團(tuán)中應(yīng)該存在大量的不可見物質(zhì)，即暗物質(zhì)，其質(zhì)量至少是可見星系的百倍以上。辛克萊爾·史密斯（Sinclair Smith）在1936年對室女星系團(tuán)（Virgo Cluster）的觀測也支持這一結(jié)論。 不過這一突破性的結(jié)論在當(dāng)時未能引起學(xué)術(shù)界的重視。[1]

圖2：仙女星系（Andromeda Galaxy）中恒星的旋轉(zhuǎn)速度隨距離的變化曲線。紅色的曲線為無暗物質(zhì)假設(shè)的理論預(yù)言，白色曲線為觀測得到的曲線。兩條曲線在遠(yuǎn)離星系中心時的不同被認(rèn)為是暗物質(zhì)存在的關(guān)鍵證據(jù)之一。圖片來源：https://phys.org/news/2011-12-dark.html

暗物質(zhì)的觀測證據(jù)

隨著天文觀測技術(shù)的進(jìn)步，越來越多暗物質(zhì)存在的觀測證據(jù)被天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)。例如，1970年維拉·魯賓（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）利用高精度的光譜測量技術(shù)研究了仙女星系（Andromeda Galaxy）的恒星旋轉(zhuǎn)速度和距離的關(guān)系[2]，探測到的遠(yuǎn)離星系核區(qū)域的外圍星體繞星系旋轉(zhuǎn)速度和距離的關(guān)系表明：在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，星系外圍的恒星旋轉(zhuǎn)速度是恒定的，這與目前的引力理論根據(jù)可見物質(zhì)所預(yù)言的星系旋轉(zhuǎn)曲線無法匹配，這意味著星系中可能有大量的不可見物質(zhì)，并且不僅僅分布在星系核心區(qū) 。

另一個著名的暗物質(zhì)存在證據(jù)是子彈頭星系團(tuán)的觀測。2004年，馬克西姆·馬科維奇（Maxim Markevich）[3] 和道格拉斯·克勞（Douglas Clowe）[4] 發(fā)現(xiàn)合并星系團(tuán)的x射線中心和引力中心存在著明顯的偏移，前者反映著星系團(tuán)中的主要常規(guī)可見物質(zhì)的并合行為，而后者則反映著星系團(tuán)中全部物質(zhì)的并合行為，兩者的偏差表明星系團(tuán)中有大量非常規(guī)可見物質(zhì)的存在。

圖3：合并星系團(tuán)中的熱氣體分布和總質(zhì)量分布對比圖。中間的紅藍(lán)色代表著熱氣體的分布，高亮度表征高密度區(qū)域；綠色等高線描述合并星系團(tuán)的總質(zhì)量分布。合并星系團(tuán)中熱氣體中心和引力中心不重合是暗物質(zhì)存在的另一個關(guān)鍵證據(jù)。圖片來源：https://astrobites.org/2016/11/04/the-bullet-cluster-a-smoking-gun-for-dark-matter/

暗物質(zhì)與人類

了解完暗物質(zhì)的基本概念和歷史后，你最可能要問：我知道，暗物質(zhì)很酷，暗物質(zhì)是宇宙中最多的物質(zhì)，可是它和我的生活有什么關(guān)系呢？這是個非常好的問題，乍一看，暗物質(zhì)也許和人們的日常生活沒什么關(guān)系，但實(shí)際上，暗物質(zhì)極有可能關(guān)系到人類最關(guān)心的兩個問題：人類的起源和人類的結(jié)局。

◎暗物質(zhì)與人類的起源

暗物質(zhì)決定了宇宙中星系的起源、形成與演化，也就是說，今天銀河系的誕生、成長過程都受到暗物質(zhì)的影響。天體物理學(xué)家們已經(jīng)用數(shù)值模擬的方法研究了在沒有暗物質(zhì)存在的宇宙中[5]，自引力系統(tǒng)的形成將非常困難，這種情況下，也許銀河系尺度的星系會非常難以形成，這就極大地降低了宜居星系的數(shù)目，從而使類太陽系系統(tǒng)的形成概率大大降低，進(jìn)而宜居帶的類地行星也許就沒有機(jī)會形成了，就更不要說人類了。可以說因?yàn)榘滴镔|(zhì)的存在才會有今天的我們出現(xiàn)。

圖4：宇宙中存在（左）和幾乎沒有暗物質(zhì)（右）時，計(jì)算宇宙學(xué)家們預(yù)言的宇宙中的質(zhì)量分布，亮點(diǎn)代表高密度區(qū)域，即星系和星系團(tuán)形成的區(qū)域。圖片來源：https://www.ted.com/talks/risa_wechsler_the_search_for_dark_matter_and_what_we_ve_found_so_far?language=en

◎暗物質(zhì)與人類的結(jié)局

暗物質(zhì)可能導(dǎo)致人類滅絕的論調(diào)聽起來也許有些危言聳聽，但是著名物理學(xué)家麗莎·蘭德爾（Lisa Randall）在《暗物質(zhì)與恐龍》[6]一書中詳細(xì)地探討了暗物質(zhì)導(dǎo)致恐龍滅絕的可能性和基本原理：太陽系繞銀河系中心運(yùn)動時還會穿過銀河系中的暗物質(zhì)盤結(jié)構(gòu)，這一過程產(chǎn)生的引力擾動會提高太陽系外圍奧爾特星云中彗星的觸發(fā)概率，從而在太陽系中產(chǎn)生更多的危險天體，因此大大地增加了危險星體撞擊地球的概率。此過程會導(dǎo)致地球上因危險天體撞擊而產(chǎn)生周期性的物種滅絕，恐龍的滅絕便是其中的一次。如果將來銀河系中的暗物質(zhì)導(dǎo)致彗星和地球相撞，一次不亞于恐龍滅絕的生態(tài)災(zāi)難也許真的會是我們的結(jié)局。

蘭德爾博士的理論是個有趣且大膽的嘗試，尤其是關(guān)于『暗物質(zhì)可以在銀河系中形成盤狀結(jié)構(gòu)』的假設(shè)也是不同于主流暗物質(zhì)模型的一次創(chuàng)新，不過科學(xué)家們依然需要用更優(yōu)質(zhì)的觀測數(shù)據(jù)和更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)方法來證實(shí)或者證偽這個假設(shè)。暗物質(zhì)到底是不是恐龍乃至人類滅絕的罪魁禍?zhǔn)祝肯Ｍ磥砜茖W(xué)家們會告訴我們答案。

總結(jié)

暗物質(zhì)是當(dāng)今物理學(xué)的最重要最熱點(diǎn)的問題之一，隨著新的科學(xué)數(shù)據(jù)的到來，對它的研究將更加深入。從星系到整個宇宙學(xué)尺度，我們都有證據(jù)證明暗物質(zhì)的存在，但是我們是否能找到它并且弄清楚它的本質(zhì)？這將是接下來幾十年里科學(xué)家們最主要的科學(xué)目標(biāo)之一。希望這篇文章能讓讀者們簡單地了解暗物質(zhì)的概念和歷史，以及暗物質(zhì)與我們的聯(lián)系，讓我們一起為因研究暗物質(zhì)而可能開啟的物理學(xué)新時代做好準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)

[1]History of dark matter, Bertone, Gianfranco; Hooper, Dan, 2018, Reviews of Modern Physics, Volume 90, Issue 4, id.045002

[2]Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions, Rubin, Vera C.; Ford, W. Kent, Jr. , 1970, Astrophysical Journal, vol. 159, p.379

[3]Direct Constraints on the Dark Matter Self-Interaction Cross Section from the Merging Galaxy Cluster 1E 0657-56, Markevitch M. et. al., 2004, The Astrophysical Journal, Volume 606, Issue 2, pp. 819-824.

[4]A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter, Clowe D. et. al., 2006, The Astrophysical Journal, Volume 648, Issue 2, pp. L109-L113.

[5]The search for dark matter — and what we've found so far, Risa Wechsler, 2019, TED@NAS

[6]暗物質(zhì)與恐龍--宇宙中的萬物互聯(lián), 作者: [美] 麗莎·蘭道爾, 譯者：茍利軍 / 李楠 / 爾欣中，2016, 浙江人民出版社

作者簡介：李楠，國家天文臺副研究員。研究方向?yàn)橐ν哥R、宇宙學(xué)、以及機(jī)器學(xué)習(xí)在天體物理中的應(yīng)用。