仰望星辰—极简天体物理学/暗物质谜题

一、暗物质线索追踪

1、星系和星系团

满天星斗在常人叫做星座，而天文学家划分成星系和星系团。

太阳在银河系这个星系中。地球上看，银河系是带状的，但从太空俯瞰的视角，银河系是盘状的，有若干悬臂。

每个星系有千亿甚至万亿颗恒星。行星围绕恒星转，恒星绕着星系的中心转。原因是星系内部的恒星集合在一起，给远处的恒星提供了一个向内的牵引力。

类似银河系这样的星系，宇宙中至少有千亿个。星系们又组成星系团，每个星系都绕着它所在星系团的中心转。

2、来自星系团的谜题

1937年，天文学家兹威基观察到一个“后发座星系团”。他选择了其中的几个星系，测量了星系绕星系团旋转的速度，结果发现，这些星系移动的速度都太快了。

根据牛顿力学，外部旋转的速度越快，内部提供的牵引力必需越大，否则就会被甩出去。从计算上看，那几个星系应该被甩出去才对。

据此，他判断星系内部一定还有其他物质提供了多余的引力。

此后，天文学家考察了所有的星系团，结果发现每个星系团都是这样的。

3、来自星系的佐证

1976年，一个叫薇拉·鲁宾的天文学家观察恒星围绕星系的转动。她注意到，在一个星系的可见部分之中，越往外的恒星，旋转速度越快，这个结论是正常的。因为内部恒星聚集，提供的引力也越大。

然后，她在星系的最边缘找了几个恒星，结果发现这几个恒星也是越往外速度越快。这就不对了，因为星系边缘并没有多少恒星能提供更多引力。

结果就是：不论星系绕着星系团转，还是恒星绕着星系转，转速都比天文学家计算的要快得多。

4、黑暗物质是什么

物理学家把提供多余引力的东西称为“暗物质”。计算表明，要维持这么高的速度，暗物质必需提供很多多余的引力才行。暗物质的总质量，必须是已知物质总质量的6倍。

整个星系应该被暗物质包围，越靠星系中间越浓，远离的地方变淡。由于太阳系在星系里是极小的一块区域，暗物质对行星运动几无影响，但星系边缘的恒星运动，影响就及其明显。

目前可以确定，暗物质不是黑洞，黑洞可以测到。暗物质也不是气体云，也不可能是流浪行星。

在宇宙微波背景辐射里，宇宙创生所有的核反应都在这里。但是暗物质没有参与核反应。

目前所有仪器都测不到暗物质。物理学家所知道的四种作用力，暗物质很可能除了引力外，其余都不参与。人类能感知到的力是引力和电磁力，看到光和打一下会疼，都是电磁力。但是暗物质不参与。

它的神秘之处在于，有一种粒子，它比质子、中子都重很多，你就是看不见摸不到它，用各种测量仪器都感受不到它的存在。

物理学告诉我们，有东西就有引力，但有引力就一定有东西吗？这个目前没有答案，除非牛顿和爱因斯坦之后，有大神提出新的引力理论。

尽管物理学家上天入地的寻找暗物质，但从1937年至今，科学对暗物质的了解，仍然没有突破。

5、大爆炸理论的验证

大爆炸以来，宇宙一直在膨胀，这个过程有两种力量在对抗，一种力量是引力，把东西集聚，另一种是膨胀，把东西分开。

两种力量平衡得不好，就不会有今天的日月星辰。引力太大，宇宙中原子一出生就会挤在一起，引力太弱，它们就不能凝聚成恒星。

物理学家计算后发现，根据现有物质的引力，根本对抗不了大爆炸的膨胀。那么需要多少暗物质的陪伴，才会是宇宙今天的样子呢？

答案同样是：已知物质总质量的6倍。