暗物质的来龙去脉

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兹威基开创了暗物质概念1933年，美国加州理工学院的兹威基（Zwicky，1898年–1974年）研究后发座星系团后，得出了让他困惑的数据，也就是根据引力作用计算的质量远大于根据发光水平计算的质量。他从而得出，会不会是在后发座星系团中存在着大量不发光的物质呢？这就是最早的暗物质概念。我们知道，恒星往往会形成以自己为中心的天体系统，若干相邻恒星往往会形成恒星团，构成恒星之间的相互作用体系。大量的恒星或恒星团可以构成更为庞大的系统，这就是星系，比如我们的银河系。相互邻近的星系也可以聚集成群，形成星系团，比如，我们银河系所在的本星系团。星系团之间可以聚合成更大的星系团，我们银河系所在的本星系团，与周围星系团或星系形成了更为庞大的体系，本超星系团（室女座超星系团），后发座星系团应该就属于这个级别。在本超星系团上面，还可以有更大一级体系，比如，我们隶属的拉尼亚凯亚超星系团，而拉尼亚凯亚超星系团是星系细丝双鱼－鲸鱼座超星系团复合体的一部分。 图1 科学家绘制的局部宇宙大尺度结构，上面的中心区域就是后发座星系团。此图比较复杂，可供猎奇，是否看懂不影响阅读内容。 图2 美国宇航局（NASA）哈勃太空望远镜拍摄的后发座星系团的中心区域 图3 NASA发布的后发座星系团后发座星系团位于狮子座附近，由上千个大星系（其中任意一个都是类似于我们银河系的星系）和几万个小星系（矮星系）组成的巨大的星系团。星系团中的星系在万有引力的作用下，必然是相对运动的，形成了一个相互运动或相互束缚的巨型天体系统。星系团中的星系的运动速度足以克服相互之间的引力作用，而不至于融入一体，但又不至于逃逸出群体，而导致星系团解体。这意味着星系团中单个星系的平均运动速度与星系团总质量成正向关系，与星系团物质平均分布密度成正向关系。按照这个道理，我们只需要知道星系团中星系的平均相对运动速度和星系团的尺度（体积），就可以计算出星系团的总质量或物质分布密度了。当然，这应该就是维里定理的核心内涵了。只需要数据套入维里定理的公式中，就可以估算出星系团中星系的平均质量了。兹威基就是通过这个方式估算出星系团中星系的平均质量的。这是通过引力作用估算的质量，这就是引力质量或动力学质量。其实，星系团的引力作用类似于恒星团体系，其外层星系环绕星系团中心运动，这个环绕速度是比较稳定的，这与星系团内部的星系的运行速度情况明显不一样。星系团或星系虽然质量巨大，但是运动速度依然远离光速，完全适合万有引力公式。因此，根据万有引力公式和向心力公式得到的V环=√（GM/R）这样的公式依然适合星系团外围星系的运动速度。这个环绕速度与星系团质量的平方根成正比，与距离星系团中心的距离的平方根成反比。星系团内部的星系运动情况应该会复杂一些，比如，其运动速度大小的变化幅度会较大，其运动路径也会较为复杂，我们不需要了解这些。· 通过测量星系的亮度，然后根据亮度估算星系的质量，这样得到的质量称为“光度学质量”。我们知道，恒星等发光天体发出的光线是沿着三维空间向四周辐射，而球面积与半径的平方成正比，因此，恒星周围空间单位面积所通过的光子数量自然与半径R的平方成反比。· 虽然天体系统中不仅有发光的恒星，并且恒星的质量也有明显差异，还有许多不发光或发光比较少的天体，但是科学家通过实际统计数据知道，各个天体系统恒星占比质量几乎是接近的，差异不大。天体系统的发光量与质量的比值（光质比）差异较小，或较为固定。因此，在距离相等时，发光量或光度还与天体质量成正比。这让科学家可以通过观测某个星系或星系团的发光量（光度），以及这个星系或星系团与我们太阳系的距离，根据已有的经验，即光质比，来推测这个星系或星系团的质量。兹威基虽然意识到后发座星系团拥有大量的不发光或者发光很微弱的物质或天体，其在论文中猜测，在后发座星系团中包含大量暗物质，也就是不发光或者相对很暗的物质。这是“暗物质”这个词第一次出现在学术论文中。由于后发座星系团距离地球3.5 亿光年，不发光或者发光很微弱的天体或物质，在地球上观测不到，这也是很好理解的。那时的观测水平远不如现在，比如，那时虽然理论上知道存在黑洞，但是还没有找到黑洞。因此，兹威基对自己的论文内容并没有感觉到多少新奇之处，这只是其感觉的普通学术论文而已。兹威基也就没有继续关注这个问题，很快，他的注意力就完全被“超新星”吸引过去了。直到他1974 年去世，都没有再关注暗物质这个概念。

鲁宾让暗物质概念产生了极大吸引力

在兹威基论文中出现暗物质一词三十年后的1960年代，一位叫鲁宾（Rubin，1928年－）的美国女天文学家，在研究银河系的转动时，和兹威基研究后发座星系团一样，产生了巨大困惑。银河系外侧的恒星绕银河系中心转动的速度，比用理论推算出的数值大了太多。

图4 根据鲁宾等一批科学家观测的大量数据，绘制的银河系天体环绕银河系中心的线速度变化趋势图，纵坐标是速度，单位是千米每秒，横坐标是距离，单位是光年。

毕竟时代不同了，相对兹威基时代，人类对宇宙的了解更多了，人类观测宇宙的能力更强了。鲁宾对同样的困惑，不再轻易解释了。而是持续研究了十几年。她取得了大量翔实的观测数据，又做了仔细的计算，她发现，如果要维持银河系目前的转动速度，又不让银河系分崩离析，银河系的总质量必须远远高于目前已经观测到的所有可见天体的质量。也就是根据引力等公式计算出来的质量远大于根据天体发光水平计算出来的质量，引力质量远大于光度学质量。

鲁宾在疑惑中通过大量数据，几乎确定无疑地发现银河系的大部分物质看不到。当然，这是一个巨大的困惑，长期的困惑，她不可能默默独自研究这个问题，她把这种困惑分享给了同事。自然是得到了同事的支持和帮助，在与同事的思想或学术交流中，困惑被分担了，思路更加清晰了，信念或结论更加坚定了。到1980年，她和同事共同发表了详细描述这些发现的学术论文，这是一篇影响很大的有关暗物质的论文，从此，暗物质一词走入科学家的视野。

兹威基本人对自己的发现虽然困惑，但并不看重，自然也没有动力与同事分享。实际上，他就是发表成学术论文，大家也只是一看了之，不会有什么回响。这是时代的限制，兹威基的发现有些超前。鲁宾的发现那就是与时代同步了，资料丰富，数据扎实，自然是反响非凡。

图5 科学家绘制的一般星系的自转曲线图：根据光度学质量的预测值（A）和实际的观测值（B），代表距离的横坐标与代表速度的纵坐标相交的地方是星系的中心。暗物质的存在可以解释为何在半径较大时速度几乎不变。

图6 这是欧美科学家绘制的靠近仙女座星系，距离地球约三百万光年的三角座星系天体环绕中心速度示意图，横坐标单位是万光年。根据其环绕速度与银河系天体环绕速度的差异，我们可以判断其质量大约是银河系质量的四分之一。图中的两个曲线差异，显示其拥有丰富的暗物质。

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1.3让更多科学家站台的星系碰撞事件

2006年，美国亚利桑那大学以道格拉斯·克洛为首的一组天文学家，利用钱德拉X射线望远镜对距离太阳系1亿光年的船底座区域，编号为1E 0657-56 的星系团进行观测时，无意间观测到星系碰撞的过程。星系团碰撞威力之猛，使得暗物质与正常物质分开，因此许多人认为发现了暗物质存在的直接证据。

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图7 两个高速碰撞的星系组成了子弹星系团，这是以道格拉斯·克洛为首的科学家根据引力透镜观测技术得到的数据信息，加工后的彩色图像。

这两个星系相向运动而碰撞，导致其中的气体分子炙热起来，高温的气体分子会辐射出x射线，形成了外形像子弹头的气团，图中的红色部分。

X射线波段的观测表明，两个星系团在碰撞、融合时，主要物质都集中在子弹状的红色气团中。外围的蓝色部分并不辐射太多的x射线，这显示蓝色部分并没有太多的天体。但是蓝色部分却有明显的引力透镜效应，也就是说经过蓝色区域的光线会由于引力的作用而变得明显弯曲（引力透镜）。既然蓝色部分并没有太多的天体，为什么会表现出如此显著的引力透镜效应呢？结论自然是，蓝色区域充斥着大量的暗物质，是暗物质的引力作用才导致了光线的异常弯曲。

星系碰撞导致暗物质与可见物质的分离，让人们更加直观地感受到了暗物质的存在，让人印象深刻。星系碰撞是一种低概率事件，一次星系碰撞的过程可能持续上亿年，不过，这种场景依然在宇宙中是少见的。当然，再次发现类似的星系碰撞过程应该也不是太困难，我们宇宙中应该存在相当一部分这样的星系碰撞行为，这种现象绝不是孤立的。

这次观测似乎太有说服力了，加上之前的众多倾向于暗物质的证据，曾经摇摆不定的科学家，或者对暗物质嗤之以鼻的科学家，特别是那些理论物理学家开始转向了。想法把自己的理论与暗物质融洽，从理论上设想各种可能模式的暗物质。自此，暗物质成为科学研究的主流，大量科学家开始把精力用到这个领域。

两个相向运动的星系，自然会在引力作用下，相互加速。在距离很近的时候，相互应该可以加速到相当可观的水平。笔者准备在后面的内容中讨论这个问题，现在先回避这个问题。

1.4引力透镜成为暗物质研究的主要工具

在上面的星系碰撞事件中，我们已经涉及引力透镜这个内容了，现在引力透镜已经成为天文学家研究宇宙的强大工具。

无论是根据万有引力还是根据广义相对论，光线的方向都会受到引力的作用，光线的方向会因引力而改变。此时根据相对论内容判断光线方向的改变幅度更为接近实际情况。相对论内容中，引力对光线方向的改变量是万有引力等牛顿力学对光线方向改变量的二倍，这个结论具有普适性。不了解广义相对论，此时也无妨，只需要根据牛顿力学计算出来的光线方向改变量乘以二，就可以与实际相仿了。此时我们就把难懂的相对论化解成了牛顿力学，我们就比较容易理解引力透镜现象了。

图8 美国科学家绘制的引力透镜效果图

光线经过天体附近，会受到天体较为明显的引力作用，光线向天体方向靠拢，这个过程会导致光线的路程发生改变，也就是光线在天体附近被弯曲了。此时，天体或天体的引力作用类似于凸透镜，让经过天体附近的光线集聚起来，这就是引力透镜效应。

图9 美国科学家绘制的特殊情况下的引力透镜效果图。如果是特殊的位置或巧合的引力强度，引力透镜效应可以让天体产生这种环状分布的多个镜像。

图10 欧美科学家绘制的引力透镜效果图

图11 欧美科学家根据引力透镜技术得到的观测数据，加工绘制的引力透镜效果图。

引力透镜已经成为天体研究的重要工具，可以发现许多大质量天体，比如，一些黑洞。如果某个较小区域产生了明显的引力透镜效应，也就是引力透镜效应范围小而明显，说明这个区域的中心有一个大质量天体，这个天体就是较大质量的黑洞。如果某个较大区域产生了一定水平的引力透镜效应，说明这个区域分布着星系或星系团，如果这个区域并没有发现可见的星系或星系团，说明这个区域分布了一个完全由暗物质构成的星系或星系团。科学家竟然真的发现了一个这样的星系，几乎完全由暗物质组成的星系，并且根据细微的引力透镜效应绘制了这个暗物质星系的轮廓。

由于天文观测水平的极大提高，科学家可以区分细微的引力透镜效应，即光线弯曲的程度，这让科学家可以计算出充当引力透镜的天体质量。这为科学家计算天体质量提供了新的手段，也进一步促进了天文观测能力的提高。

通过引力透镜计算出的充当引力透镜天体的质量与通过天体系统的弥散速度而计算出的质量是一样的，都属于引力质量，引力透镜效应自然成为引力质量的另一个计算方法。这对更远距离的天体的引力质量计算极为重要，因为，距离我们太阳系越远，天体系统的相对运动速度或弥散速度就越不容易测量。因此，距离太阳系达到一定程度时，引力质量只能靠引力透镜效应来推算。可见，引力透镜效应这个天文观测手段是如此重要。

较远距离的天体系统的暗物质就是通过引力透镜效应估测的，引力透镜效应计算出天体系统的引力质量，根据光度或距离计算出光度学质量，引力质量与光度学质量之差就是暗物质质量。人们据此得到了丰富多彩的暗物质分布数据。

图12 科学家根据引力透镜效应，发现星系团CL0024+17内部存在一个暗物质圈，在这张哈勃太空望远镜相片里以蓝色显示出来。

图13 科学家通过引力透镜定位了这些聚集阿贝尔1689星系团的暗物质，在这张哈勃太空望远镜相片里以蓝色表示。

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