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世上真的有暗物质存在吗?

而地球围绕太阳旋转有一定的速度而有离心力,当太阳的引力正好等于地球的离心力时,地球就被束缚在一定的轨道上。

既然暗物质既不发出任何波段的光,也不和任何波段的光发生作用,用任何波段的探测器或望远镜都无法观察到,那人们怎么知道它的存在呢?

我们知道,地球围绕太阳旋转,为什么地球既不被太阳吸引过去也不会远离太阳飞走呢?太阳对地球有引力,而地球围绕太阳旋转有一定的速度而有离心力,当太阳的引力正好等于地球的离心力时,地球就被束缚在一定的轨道上。按照牛顿定律,引力的大小与太阳和地球的质量有关,质量越大,引力就越大。如果地球的速度太大,或者太阳的质量太小,离心力大于太阳的引力时,地球就远离太阳而去。可见,宇宙中星球、星系的稳定运动状态都是它们的运动速度和一定质量之间平衡的结果。太大的质量太低的速度,或者太小的质量太高的速度,都不会稳定,也不可行。

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图片来自网络

八十多年前(1933 年),费里茨·兹威基惊奇地发现了一个奇特的现象:大尺度的星系团中众多星系的相对运动速度非常高,可它们又被约束(或被限制)在星系团中不能远离。但根据我们所观测到的星系团质量估算出的引力却远小于由星系速度估算出的离心力,即质量产生的引力无法将这些星系束缚在星系团中。如果假设星系团中还有我们“看不见”但具有引力的物质,且质量足够大时,就有可能确保星系团中众多星系虽然速度很高也不会散开。人们把这种“看不见”但具有引力作用的物质称为“暗物质”。可以说这是第一个暗物质存在的证据。暗物质有引力,有质量,但不发光也看不见。

应该说,费里茨·兹威基(图1.2.1(a))是提出“暗物质”概念的第一人。兹威基对事物观察十分敏锐,是闻名遐迩的才子。可惜的是,他被当时的同行认为是一个怪人,人际关系也比较差,没人认真考虑他的观点。他的观察和他对“暗物质”的设想在很长的一段时间内无人问津。

1970 年,美国女天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)(图1.2.1(b))发现了“暗物质” 存在的又一个证据——不管恒星距离星系中心有多远,它们围绕星系中心公转的速度都是一样的!至此,“暗物质”的概念才逐渐进入人们的眼帘。此后,天文学家们依据球状星系旋转速度的测量、引力透镜的观测、大尺度宇宙结构形状,以及微波背景辐射等研究中的“异常”等现象,大胆地推测或猜想宇宙中很可能存在大量“看不见”却又能通过引力作用而被感知的暗物质。尽管我们对暗物质的性质仍然了解甚微,但到了今天,占宇宙能量密度很大部分的暗物质的概念已被广为接受了。

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图1.2.1 暗物质领域的两位先驱者(a)费里茨·兹威基,最早注意并提出暗物质存在想法的物理学家

现在人们已经发现了很多暗物质存在的证据,不可能在书中一一讨论。下面仅就几个暗物质存在的典型证据——“星系的旋转曲线”“引力透镜效应”“星系团的碰撞”“宇宙大尺度结构”做简单介绍。

不好理解的旋转曲线

万有引力定律告诉我们,围绕地球转动的人造卫星的运行速度和距离和地球的总质量有关。地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离及太阳的总质量有关。地球是按照引力的平方成反比定律才会在一定的轨道上不停地转动。图1.2.2 所示为美国发表的最新银河系全景图。银河系是一个典型的螺旋星系,星系中的各个星体围绕中心旋转, 中心亮度很大表明质量集中于中心,其直径约10 万光年。有4 条螺旋状的旋臂从银河系中心均匀对称地延伸出来。银河系中心和4 条旋臂都是恒星密集的地方,太阳系位于银河系边缘,银河系第三旋臂——猎户旋臂上。

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图1.2.2 美国发表的最新银河系全景图

同理,每个星体或气团围绕星系运行的速度和该物体与星系中心之间的距离以及星系范围内的总质量有关。通常我们用旋转速度与距离的关系曲线来描述它们的运功, 称之为旋转曲线。如果按照观察到的星系范围内的质量分布和牛顿定律来计算,因为观察到的可见质量大都集中在中心,随着距离的增加其速度应该减少,即旋转曲线是随距离下降的。而实际测量的结果发现旋转曲线是平的,即旋转速度不随距离减少,速度基本不变。

图1.2.3 是螺旋星系NGC6503 和测量得到的球状星系旋转速度与距离的关系曲线。图(a)是螺旋座星系NGC6503 的亮度图,图(b)中的实验点是不同距离观测到的速度,其速度在距离大于2kpc就基本不变。图(b)中标有“星盘”的虚线是依据星体质量分布计算出的旋转曲线,其速度随距离迅速下降。很明显, 两者相差甚远。

如何来解释这一差别呢? 除非认为我们依据亮度看到的星系的质量分布有误,导致旋转曲线是随距离迅速下降。只有星系中有大量看不见的物质,且分布并不都集中在星系中心时,距离星系中心远的恒星的运动速度才不会比近处的恒星运动速度慢。如果将观察到的气体和尘埃分布以及假设的暗物质分布这三种物质都考虑进去,也就是将图(b)中的标有“气体”“星盘”“暗物质晕”的曲线相加得到的旋转曲线才能和测量到分布(图中的实验点)相符合。这说明星系中必然存在“看不到”的物质,但提供了束缚星系运动的引力。这一天文观测结果为暗物质的存在提供了最直接的证据。这是1978 年才发现的令人信服的证据。

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图1.2.3 球状星系旋转速度v 与距离R 的关系曲线

后来人们观测了几乎所有的螺旋星系,测量了它们的旋转曲线,都有同样的现象。图1.2.4 所示为部分螺旋星系的旋转曲线。这表明所有螺旋星系中都存在有暗物质。

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图1.2.4 Sa NGC 4594 等螺旋星系的旋转曲线

人们自然会问,是否存在另一种可能,即描述引力的牛顿定律有问题?遗憾的是,过去对地球、对太阳等星球的观测积累了大量的观察数据,根据牛顿引力定律计算得到的围绕太阳运行的行星轨道与实际观察数据相一致。太阳系原来的八大行星,即水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星的轨道计算均符合引力定律。应该说,前面讲的海王星的发现也完全是牛顿引力定律的功劳。

同样,对银河系的观测也同样证明了引力定律是正确的。银河系看起来像一个有两条旋臂的巨大圆盘形旋涡,围绕其中心不停地旋转如图1.2.2 所示。太阳在稍稍偏离这个旋转中心的位置上,和其他恒星一样不停地转动,其速度大约为每小时220km。依据太阳转动的轨道和速度,可以计算出银河系旋转轨道内所有星球的质量总和约为太阳质量的1 千万倍。这个值和我们在银河里实际观察到的恒星基本吻合。

即使是上述的球状星系旋转曲线,靠近螺旋星系中心的恒星速度也符合牛顿引力定律的理论计算,由此推测螺旋星系中心的可见物质密度非常大,相对暗物质质量很小,近星系中心区域几乎不受暗物质的影响。

结论似乎只能是:星系里必定有看不见的暗物质,它不发光,也不反射其他发光星体的光,但具有引力,也有质量。那么,暗物质有多少呢?天体的亮度反映天体的质量,天文学家通常用星系的亮度来估算星系的质量(也就是可观察到的质量)。当然也可通过引力来计算星系的质量(既包括观察到的质量也包括看不到的质量)。这两者之差就可认为是暗物质的质量。通过旋转曲线测量及引力计算出的银河系的质量是由亮度推算出的银河系质量的十倍以上,在外围区域甚至达五千倍。可见,在银河系整个范围里都存在有大量暗物质,有时称之为暗物质晕,是不言而喻的。

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虽然我们假设在银河系整个范围里都存在有大量暗物质,并称之为暗物质晕,但是,要想证明银河系最深处区域有无暗物质是极端困难的,因为银河系深处的核心区域直径约10 万光年。2015 年初,西班牙、德国及瑞典等国科学家Fabio Iocco1,Miguel Pato 和 Gianfranco Bertone,在英国《自然·物理学》杂志发表了他们的研究成果。他们特别关注银河系内部最深处以及太阳周围的区域,在全面汇总大量实验测量的旋转曲线和分析观察数据的基础上,再与最新的银河系质量分布理论作详细的对比分析与研究。研究表明,银河系内部也存在着暗物质,否则观测到的数据将无法得到合理解释。这是第一次得到银河系内部甚至太阳系内部存在暗物质的直接证据,并认为,依据目前的数据,银河系内部以及在太阳系内部的暗物质的主要成分不大可能是像质子或中子一样的重子。

星体光被严重弯曲

我们知道,依据爱因斯坦广义相对论理论,大质量物体周围的时空是弯曲的,时空曲率将产生引力。当直线行进的光线通过大质量的物体时也是弯曲的,它的路线将沿着大质量物体所形成的时空曲率,也就是说,光线因为引力作用被弯曲。这类似于光线通过凸透镜被弯曲聚焦,且弯曲的程度与光线所通过的质量多少有关。这在物理学中称为引力透镜原理。

图1.2.5 所示为引力透镜的原理示意图,图中左侧为天体发出的光波经过中间的星体到达地球上探测器的示意图,右侧为探测器获得的图像。光波受到所经过星体庞大质量的引力作用而被弯曲,到达地球上的光实际上是被星体引力作用发生了弯曲的光线,其弯曲程度不仅与星体的质量有关,弯曲后的图像还与星体的形状有关。当星体是圆球体时,图像呈环状(爱因斯坦环);若星体是长条状,图像呈十字叉状(爱因斯坦十字架);如果星体是宇宙中形状复杂的星系团,其图像则是不很规则的各种弧形。我们可以通过图像知道星系团的大致分布,再由光线弯曲的程度计算出光线所通过的物体的质量。这一原理被广泛地应用到宇宙中星系团质量的测量上,不管该星系团是否发光。

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图1.2.5 引力透镜的原理

实际测量中我们惊奇地发现,所探测到的星体光线被严重地弯曲,以此弯曲估算出的星系总质量要比与用光学方法测量得到的质量大得多,即比能观察到的星体质量大得多,多出来的部分就应该是星系中看不到的暗物质。可见,研究引力透镜现象同样可以揭示出星系团中有大量暗物质。

图1.2.6 所示为哈勃太空望远镜在1999 年完成维修后立即拍摄到的一张照片,来自星系团背后天体的光线因为星系团的巨大质量而形成扭曲的图像,出现许多细弧。一颗遥远的类星体被引力透镜分成了五星样的虚像,这是典型的“引力透镜”现象。这张照片还展示了由引力透镜放大的珍贵星系,甚至还包含了一颗超新星。当然,我们也可以从中获得星系团中暗物质的质量。科学家们依据这一原理,对几乎每个星系团进行“引力透镜”的测量,都能获得这些星系团中的暗物质质量。

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图1.2.6 哈勃太空望远镜拍到的一张照片

奇特的大尺度星系团

图1.2.7 所示为奇特的大尺度星系团结构的照片。在遥远的银河外星系,天文学家通过大型望远镜已经发现了上千亿个星系。这些星系在宇宙中聚集起来形成一个个集团,被称为星系团。可以说,星系团是成百或成千上万个星系由于自身引力而约束在一起的束缚体系。这样的集团大小不一,小的由十几个到几十个星系组成,而大的集团由成千上万个星系组成。

星系团质量相当于星系集团中所有星系质量以及星系际介质的高温气体质量的总和。就像我们通过观察炼铁炉辐射出的光来测量炉中铁水温度一样,通过测量星系集团发出的X 射线就可以估计出它们的温度,再由测量到的温度就能计算出这些星体的运动速度。实际观察发现温度异常的高,这意味着它们之间的相对运动速度极大。如果这些运动速度极高的星体还能够聚集在一起并形成星系团,就像上面讲的,它们之间必须有足够大的吸引力。这个吸引力远大于我们所观察到的星系团可见物质质量的引力,除非存在有我们没有看到的物质——暗物质才有可能。

通过相对运动速度和引力获得这些星系集团的质量远远大于观察到的星系和气体质量的总和,这些“多出来的质量”可能就是暗物质。

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图1.2.7 大尺度星系团结构的照片

子弹星系团的碰撞

2006 年,美国天文学家利用钱德拉X 射线望远镜对星系团1E0657-56 进行观测,并观测到星系之间碰撞的过程。星系团的碰撞迅猛异常,竟然将暗物质与正常物质分离开来,成为暗物质存在的更直接证据。

图1.2.8 所示为2006 年8 月 美国NASA/ 钱德拉发布的一张子弹星系团的照片,它实际上是由三张照片合成的。一张是可见光波段的星系照片(图中的白点),另一张是X 光波段的星系团内气体分布(红色部分),这两部分相当于同一子弹星系团两个不同波段(可见光和X 光)的照片。图中蓝色的部分不是直接拍摄下来的,是利用引力透镜原理间接计算得出的质量分布。

从合成图中不难看出,这很像两个星系团相撞,蓝色部分(暗物质团)的作用较小,速度快,加速远离;红色部分是可发光的物质团,由于较强的相互作用,彼此离开得较慢,尾随其后,形成几个空间分离的团块。空间分离的团块可以看成存在有两种类型的物质,且可见物质与暗物质的性质有很大差异。这一现象被看成“暗物质”存在的直接证据。

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图1.2.8 子弹星系团的照片

暗物质从根本上讲不是我们通常说的物质。利用现代各种望远镜、各种波段的探测器都无法观察到它的真面目,这是因为它似乎不和其他我们能看到的物质发生任何作用。但是暗物质与普通物质间有引力作用,正是这引力作用和由此产生的各种现象最终让我们证实了它的存在。

总之,不论小尺度的星系、大尺度的星系团或整个宇宙都发现有暗物质存在的迹象。万有引力让我们知道了宇宙中还暗藏有大量看不见的暗物质,感谢引力作用,让我们知道了被“暗藏”的宇宙。

宇宙中有多少暗物质?

暗物质是一种诡异的不可见物质。目前看来,除了引力作用之外,它们和“常规”物质几乎不发生任何相互作用。科学家们之所以知道宇宙中存在暗物质,并不是因为真的“看见”了暗物质,完全是通过看不见的暗物质对可见物质的引力效应间接地获得了它们存在的信息。几十年前暗物质首次被科学家提出时,还只是一个理论性的假设,当时的暗物质猜想在科学界也是个很有争议性的命题。随着时间的推移和科学的发展,特别是前面讲的不少观察证据,暗物质存在的证据逐渐被接受,而且计算出暗物质的质量远大于可见物质质量。

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暗物质之间、暗物质和常规普通物质之间都存在引力作用。引力使数百上千的星系聚集起来,形成星系团。另一方面,大量物质的聚集又形成了巨大的引力作用,背后遥远星系发出的光线经过其附近时会发生弯曲,从而形成类似透镜的效应。我们可以利用这种物理上的引力透镜效应作为测量手段来很好地观察寻找暗物质,依照背景星系光线被弯曲的程度来计算光线经过的星系的质量,从而估算出暗物质的质量。科学家们不辞劳苦地对千万个星系逐一测量,得到宇宙中的暗物质分布。总而言之,不管物质“暗”与“不暗”,只要有质量,光线就会被弯曲,并可通过弯曲的程度获得质量的分布。科学家们以此发明了一种“引力透镜质量分布成像”(gravitational lens mass tomography)法,绘制出宇宙中暗物质的分布。

另外,通过宇宙背景辐射测量也可以得到暗物质和暗能量的比例。2009 年,普朗克科学探测卫星发射升空。普朗克空间探测器主要对宇宙背景辐射进行观测。通过宇宙背景辐射测量得到的暗物质的比例与之前有所不同。图1.2.9 给出了普朗克空间探测前后宇宙中暗物质所占的比例。依据普朗克空间探测器的测量,目前普遍认为整个宇宙中,暗能量占68.3%,暗物质占26.8%,其他可见物质仅为4.9%,即在所有物质中,诡异的暗物质竟然占了85% 。

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图1.2.9 宇宙中暗物质所占比例(a) 普朗克测量前的比例;(b)普朗克测量后给出的最新比例

暗物质在宇宙中的分布是人们十分关心的问题,也是科学界的重要课题。螺旋曲线测量结果显示,星系中暗物质的分布似乎像比较均匀的“晕”。当代的大型望远镜采用了电荷耦合器件charge coupled device,(CCD)技术,可以探测到更加微弱的光线,观察到“弱引力透镜效应”,这使得遥远星系的图像看起来呈现椭圆形。利用这些星系扭曲的图像,再和哈勃太空望远镜(HST)拍摄的遥远星系团的可见光图片作对比,就能得到暗物质的具体位置,从而构造出分辨率更高的暗物质分布,并可绘制出长达十亿光年的庞大暗物质分布图。

研究人员发现:第一,宇宙中暗物质无处不在。星系内部充满着暗物质,即便是宇宙中最明亮的星系内部也存在着暗物质。第二,从大尺度看,宇宙就像由众多星系构成的庞大的、呈现为丝状或卷须状的“宇宙网”,暗物质分布在“宇宙网”状结构中空旷的“网眼”内,将网上的千万个星系相互“黏结”在一起。“宇宙网”由暗物质维系在一起,没有它的存在,宇宙或将不会以现在的状态存在。类似于暗物质和可见物质在万有引力的作用下汇聚到一起,在暗物质比较集中的地方更容易吸引可见物质,从而协助星系和星系团的形成。当然,暗物质和可见物质一样也可以密集在一起组成星系,不过与普通的正常星系不同,暗物质星系中没有任何恒星发光,只能通过“引力透镜”来发现它。

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图1.2.10 哈勃望远镜获取的暗物质分布图(图中的蓝色区域就是在哈勃望远镜的图像上叠加上的暗物

图1.2.10 所示为哈勃望远镜获取的暗物质分布图,图中的蓝色区域是在哈勃望远镜的图像上叠加上的暗物质分布。图1.2.11 为数字模拟获得的大尺度宇宙内的暗物质分布图,图中明亮的区域是高密度星系集中的地方,那些邻近的暗区域充满了暗物质。

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图1.2.11 数字模拟得到的大尺度宇宙内的暗物质分布图

总之,暗物质存在于宇宙的每一个角落。暗物质从每个星系一直延伸到宇宙空间,与邻近星系的暗物质重叠后形成一个巨大的“宇宙网”。暗物质在宇宙网状结构的网格中的空旷区域,其他星系密布在狭窄的网络上。

不过,暗物质在宇宙中的分布到底是什么样的,目前仍然是科学界讨论的课题。

世上真的有暗物质存在吗?

(摘自《寻找缺失的宇宙——暗物质》,作者:李金)

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