眼不见也有实——暗物质的陪伴1

奥运会田径比赛的链球项目，铜球上安着链子，运动员两手握着链子，经过预摆和3~4圈连续加速旋转及最后用力，将链球掷出，谁掷得远谁就胜。如果铜球被加速到一定程度，链子会不会断裂，铜球不再按照运动员的预期轨迹而自行飞离？答案是会的。但如果链子足够牢靠，且运动员的手有足够的力抓紧链子，链球就飞不出去，此时球跟着运动员同向同幅度运动。

宇宙中天体运行也像链球运动。在地月系统，地球是运动员，引力是链子，月球是链球；在太阳系，太阳是运动员，引力是链子，八大行星是链球；在银河系，银河系所有物质是运动员，物质形成引力，将各个恒星系甚至是在银河系边缘的星体紧紧抓着，绕着银河系中心做运动；再想广阔些，银河系也是一个链球，被室女座超星系团这个极为硕大的运动员牵引着绕着其中心运动。当然，我们还可以想的再广阔些……宇宙的天体运行结构大体如此。

万有引力让宇宙天体有秩序的运行，天文学家们认为它们运动的很有规律一切都很和谐，很好很好，直到1937年的一天有一个叫兹威基的天文学家观察了“后发座星系团”。兹威基所观察的后发座星系团，是一个孤立的、有许多星系的星系团，距离地球约3亿光年。他利用几十个星系的运动作为跟踪器，探测整个星系团组合在一起的引力场，发现它们的平均速度大得令人咋舌。速度大，那么引力必然很强，也就意味着后发座星系团的质量必定非常大。但兹威基把后发座星系团可见物质质量总量估算出来，发现远远小于从速度推算出来的质量总量。这也就是说，按后发座星系团可见物质总量所产生的引力，无法让星系团边缘的星系围绕着星系团运动，这些速度快得惊人的星系应该早就飞出去了。链球速度太快，那个运动员抓不住了，链球嗖的一声飞走了。“质量短缺？！”兹威基提出了这个问题。之后几十年，其他天文学家通过观察和测算，发现其他星系团也显示了同样的问题。

牛顿说，那怪我咯？不能，牛顿的理论经过250年的检验通过了所有的测试。

爱因斯坦说，那怪我咯？也不能，星系团的引力虽然强大，但还没有突出到需要用爱因斯坦广义相对论重锤来加以解释。

那总得找个解释吧？

1976年，一个叫鲁宾的女天文学家通过观测，推断必然存在着某种形式的暗物质，充满着整个星系。她研究了恒星绕着星系中心转动的速度，发现星系的可见部分中，越往外的恒星，速度就越快（这个很容易理解，链子10cm和10m，链球速度是完全不一样的，链子越长，链球就越快）。但她发现，处在星系圆盘之外的一些孤立的气体云和明亮的恒星，它们的轨道速度，本应该随着与中心的距离增加而下降甚至到将为零（引力大小与两者距离的平方呈反比），而事实上，其速度依然很高（这个理解有些难，运动员拉着链子在转，链球随之运动，突然他发现竟然有一个铜球在链球之外与链球同步运动，而那个铜球没有链子）。鲁宾认为星系中和星系边缘，存在着暗物质，而且这些暗物质远远超过星系可见的边缘，这些暗物质在星系周围形成了一种“晕”（如下图1，蓝色的云一样的就是想象中的暗物质形成的晕）。如果难理解，我们可以想个煎荷包蛋的画面，把整个星系想象成一个平底锅，星系可见部分是一个荷包蛋，荷包蛋之外的部分就是暗物质，暗物质形成了“晕”包围和充斥着星系。（如下图2）

图1：暗物质形成的晕

图2：星系的可见部分是荷包蛋

存在着暗物质，这个解释，让天文学家们觉得对对对。但暗物质到底是什么呢？找不到这些东西，没搞清楚，就像高考时解不出最后两道数学题，心里那个难受。