关于宇宙，我们还有许多不知道的事情。这其中就有一项让科学家们非常头疼：一种神秘的物质——暗物质。尽管科学家们提出了各种各样的理论，我们仍然不清楚暗物质的本质是什么。我们甚至都不知道它到底是不是真的存在！研究暗物质最大的挑战就是——我们看不见它。在这篇文章中，我们将介绍科学家们如何运用科学知识和望远镜的观测数据来预测暗物质的存在，以及为什么科学家们认为暗物质可能充斥着整个宇宙。

PHYSICS · ASTRONOMY

暗物质是什么？是真实存在的吗？

当我们眺望明净的夜空时，我们看到数不清的星星。这些明亮的星体既有银河系中的恒星，也有离我们十万八千里的遥远星系。这些天体组成了宇宙中所有的发光物质。通过各种天文望远镜，我们可以观察到这些天体发出的光线。某些望远镜能够观测到数百万光年那么远的光线，这其中就有赫赫有名的哈勃望远镜，它可以捕捉到134亿光年外的信号^[1]！

所有天文望远镜都可以观测由天体发出的电磁波谱。科学家们利用波谱中的不同波长来得到天体的关键信息，比如距离、年龄、大小、形状等等。某些波谱信息还可以用来解读我们宇宙的物理规律。但是，如果宇宙中有某些物质不会发光、或者其发出的光线不在已知的电磁波谱范围里，那么天文望远镜就无能为力了。因为这种奇怪的物质不发光，所以科学家们称之为“暗物质”。

电磁波谱：从可见光到伽玛射线、X光等，所有种类的光都是电磁波，而所有种类的电磁波频率组成了完整的频率范围，这个范围为电磁波谱。
波长：每一种光线（电磁波）的波振动中，相邻两个波峰间的距离。波长一般用纳米（nm）表示，人类可见光的范围高于 400 nm（紫外光）、低于 700 nm（红外光）。

一些科学家，尤其是天体物理学家，花费了大量的心血来提出暗物质组成的理论。虽然暗物质不发光（任何波长的光！），但它们可以被万有引力所影响。虽然天体物理学家还不能解释暗物质是什么，但至少现在他们可以肯定暗物质不是什么。

首先，暗物质占据了宇宙约 80% 的质量^[2]，也就是说暗物质几乎是所有常规物质质量总和的四倍！除此以外，科学家们还找到了更多不可思议的事情——

暗物质影响星系中天体的运动

我们刚刚说过，引力可以影响暗物质，而暗物质的质量也可以影响其它天体的运动。

什么是引力？在地球上，苹果会落到地面上。在太阳系中，太阳的质量占比最大，其它行星都围绕着太阳旋转：水星和金星离得近，绕太阳的速度也最快；离太阳越远的行星（如天王星、海王星），绕太阳的速度也越慢。根据万有引力定律，离开太阳越远，其引力也越低，为了避免转远或转近，行星必须移动得更慢才行。

对于不同星系，也可以这么考虑：假设星系中更亮的部分（比如恒星）占据了绝大多数的质量，那么这绝大多数的质量几乎都在靠近中心的位置，而在星系边缘暗淡的地方则不应该有很多质量。这样，每个星系中离中心更近的物体会比离中心更远的物体转的更快，就像我们太阳系一样。

如何验证这样的假设呢？科学家们测量了一个遥远的自旋星系（就像我们所在的银河系），绘制出了不同天体的速度和它们到星系中央的距离。但是，结果却不像科学家们想的那样——离星系较远的一些天体的速度远远快于理论预测的结果（图1）。从引力的角度，这只能说明星系边缘的质量要高于星系中央的质量，而这种质量是我们无法通过电磁波谱观察到的（因为它们不发光），因而可能存在着暗物质影响着这些天体。

图1 - 天体速度与它们到星系中心距离之间的关系。远离银河系中心的恒星的实际观测速度（A）要大于科学家预测的速度（B）。这些数据表明，星系边缘存在着大量的质量，但因为它不发任何光，我们看不见。这表明暗物质可能存在。（图像根据 PhilHibbs 的原始图像修改，通过 CC BY-SA 3.0 获得许可）

暗物质干扰了星系质量的计算

暗物质存在的证据并不是近几十年才发现的。回到1933年，一名瑞士天文学家 Fritz Zwicky 最早发现暗物质的存在。他研究了 Coma 星团里上千颗恒星发出的光（图2），并用两种方法测量了它的质量：一种是通过运动速度，这可以通过发光的偏移来计算；另一种通过发光亮度来计算。然而，通过速度计算得到的星团质量却要比亮度计算结果高出数百倍！

图2 - 上图是哈勃太空望远镜在2006年拍摄的 Coma 星团的一部分拼贴图，用来研究富集星系团中的星系是如何形成和演化的。科马和其他星系团中的大多数星系都是椭圆形的，尽管这里所映象的一些星系显然是螺旋状的。图片中几乎每个可见的物体都是一个星系。Image Credit: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI/AURA)

由于这些多出来的物质没有发光，Fritz 认为，“如果这能被证实的话，我们将得到非常惊讶的结果：暗物质的存在量比发光物质大得多”^[3]。而不久之后，Virgo 星团的数据也获得了类似的结果。但是，由于当时的测量技术不如现代的技术精确，这种“宇宙被某种未知暗物质所支配”的争议性想法直到近 50 年后才被科学家们所接受。

暗物质能够弯转光线

暗物质存在的第三个证据来自对 Bullet 星团的研究（Bullet 得名于两个星系发生了碰撞），天文学家使用了一种新的测量天体和星系质量的方法——引力透镜^[4]。上文说过，引力可以影响周围物体的运动；实际上，任何物质的质量都会影响其周围空间的密度，当光线穿过这个高密度的空间时，光线会发生弯折。

有点难以理解？那让我们来想象一张拉直的床单，床单四周固定、中间平展地摊开。假设这张床单代表一个空间。这时候，我们在床单上放一个球——自然而然地，你会想到，床单会被这个球拉伸，形成一个下凹的窝。质量就像这样的一个球：当空间（平展的床单）中存在一个物质（球）时，其质量会拉伸周围的空间和时间；当光线在通过这样拉伸的空间时，它将不再沿直线传播，而是会沿着弯曲的表面前进（就像弯曲的床单一样！）。物体的质量越大，空间就越是拉伸，光线也弯曲得越显著。那么，我们是不是可以通过观察天体周围光线的弯曲程度，来计算天体的质量？引力透镜就是通过这样的原理来测量天体和星系的质量。

引力透镜：遥远星系产生的光线在与大质量物质的引力场相互作用时会发生弯曲和扭曲。今天的副推用视频角度解释了引力透镜的概念。

通过引力透镜，科学家们确定了 Bullet 星团的总质量，包括其包含的暗物质^[5]。图 3 展示了 Bullet 星团的大部分质量并不分布在 X 光的来源处——这意味着这些质量我们看不到。因此，这个星团更多由暗物质而不是常规物质所组成。

图 3 - 由美国宇航局哈勃太空望远镜和钱德拉 X 射线天文台拍摄的 Bullet 星团图像。Bullet 星团是两个曾经相撞的星系的组合。蓝色区域代表星系中的大部分质量，由暗物质组成；粉色区域是常规物质。引力透镜可用来探测暗物质。彩色区域外的亮点是不属于 Bullet 星团的恒星和星系。（图片来源：X-ray: NASA/CXC/CfA/ M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/ D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/ U.Arizona/ D.Clowe et al.）

暗物质可能是什么？

科学家们已经提出了各种理论，试图去阐明暗物质的组成。有的科学家认为暗物质就是常规物质，只是它被难以检测的其它物质所干扰，比如较大的行星或者黑洞。然而，这一种假说与许多科学观察不符。

到目前为止，科学家们已经确定了暗物质的至少一种组分：中微子。中微子是一种不发光的微粒，不过它只能占据暗物质的一部分，因为它们太轻，而且在宇宙刚刚形成的时候，它们的运动速度太快了。这样一来，也许有别的粒子亟待发现，而其中两种最有可能组成暗物质的粒子包括 大质量弱相互作用粒子（WIMP） 和 轴子（axion）。这两种粒子目前还仅存在于理论中，而寻找它们的实验也正在进行中。

中微子：一种小于原子的粒子，它们不带电荷。中微子是暗物质的组成成分之一。

总结

暗物质组成了宇宙中63%的物质。如果我们能解释暗物质的组成，我们就能对宇宙的起源和形成有更多的认识。全世界各地，包括位于瑞士的大型强子对撞机，正在开展各种各样的实验，来研究暗物质组成的微粒的各种性质。让我们期待天文物理学和粒子物理学的更多发现！

图4 - 整个圆包含了宇宙诞生 38 万年时所有的物质种类。由图可见，暗物质的总物质量比其他物质量的总和还要多。时至今日，暗物质的占比仍然相似，宇宙的质量跟上图相比也没有发生显著的变化。

更多信息

原文：Bhathe V, Brennan C, Ellis S, Moynes E, Graham K and Landsman S (2021) How Do Scientists Know Dark Matter Exists?. Front. Young Minds. 9:576034. doi: 10.3389/frym.2021.576034
作者：Vishnu Prithiv Bhathe，加拿大 Carleton 大学理学学士，对科学以及如何利用科学经验来改造世界感到好奇；Christina Brennan，Carleton 大学本科生，主修跨学科科学，特别感兴趣于科学传播事业；Stephanie Ellis，Carleton 大学跨学科科学与实践项目本科生。对参与社区活动和了解不同系统的工作原理充满热情；Emily Moynes，Carleton 大学环境科学专业的五年级学生，曾在 Steven Cooke 博士的指导下完成与鱼类有关的项目的实习，并在 美国渔业协会交易（TAFS）发表了一篇文章；Kevin Graham，Carleton 大学粒子物理学教授，也是欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的 ATLAS 实验的成员，正与一个国际科学家小组合作，寻找 ATLAS 实验中出现暗物质的证据；Sean J. Landsman，Carleton 大学跨学科科学与实践项目的教学教授，是一位训练有素的渔业生态学家，研究鱼类如何移动其环境以及人类活动如何影响它们。
翻译：小鱼

参考资料

[1] Garner, R. 2015. About the Hubble Space Telescope. Retrieved from: https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/story/index.html
[2] Ibarra, A. 2015. Dark matter theory. Nucl. Part Phys. Proc. 267–269:323–31. doi: 10.1016/j.nuclphysbps.2015.10.126
[3] Bertone, G. and Hooper, D. 2018. History of dark matter. Rev. Mod. Phys. 90:045002. doi: 10.1103/revmodphys.90.045002
[4] Wambsganss, J. 1998. Gravitational lensing in astronomy. Living Rev. Relativ. 1:12. doi: 10.12942/lrr-1998-12
[5] Clowe, D., Bradač, M., Gonzalex, A. H., Markevitch, M., Randall, S. W., and Jones, C., et al 2006. A direct empirical proof of the existence of dark matter. Astrophys. J. Lett. 648:L109–13. doi: 10.1086/508162