暗物质的天文证据

袁强

称量天体系统的质量

测量遥远天体的质量是一件不容易的事。19世纪以来，天文学家们一直在做着这方面的尝试，所基于的原理是牛顿万有引力定律和牛顿第二定律，即通过观察天体的运动来推断天体的质量。

海王星的发现就是一个著名的例子。在19世纪前期，人们知道太阳系有七大行星，行星绕着太阳做椭圆轨道运动，根据牛顿引力定律，我们可以精确地计算出每个行星如何运动，包括行星之间的相互影响。对行星运动的观测也达到了相当精确的程度，而且观测和理论预期相当符合，一切事情看起来都很合理。然而，最外围的行星——天王星，它的运动轨迹似乎有点不那么完美，和理论预期相比较总有一些偏差。人们提出猜测，在天王星外围可能还存在一颗行星，它的引力影响了天王星的运动。1845-1846年，英国天文学家约翰·柯西·亚当斯和法国天文学家乌尔班·勒维耶根据天王星的轨道计算出了这颗未知行星的轨道。随即，德国天文学家约翰·加勒果然在他们预计的位置发现这颗新行星——海王星。

海王星的发现是牛顿力学的一次伟大胜利，而通过天体运动来观测未知天体并称量它们的质量也成为一种标准的做法。19世纪末至20世纪初，天文学家广泛使用这种辦法来估量银河系星体的质量。这些天文学家的代表人物包括恩斯特·奥匹克、雅各布·卡普坦、詹姆士·金斯、贝蒂尔·林德布拉德和简·奥尔特等。

暗物质的提出

早在1884年，威廉·汤姆森（也就是开尔文勋爵）根据银河系中心的恒星运动速度估计出银河系的天体质量后发现，这一质量比可见的恒星能够提供的质量要多，于是他提出很多星体可能是“暗星体”这样的概念。通过测量恒星运动速度的办法，雅各布·卡普坦在1922年以及简·奥尔特在1932年也得到银河系中存在比可见星体质量更多的“暗物质”。这个时期，所谓的“暗物质”是指暗弱的恒星、星云和小天体等星体，由于发光很弱不能被人所见而已。这些早年的工作从科学史上来看无疑是先驱性的，但由于观测技术所限，测量不够准确，结果却也存在一些疑问。而且今天我们已经知道了很多天体除了发射可见光，还可能发射从射电、红外、紫外、X射线、伽马射线等不同波段的电磁波谱，它们在当年是不可见的，今天借助于一些仪器而成为“可见”的天体了。

关键的证据

瑞士天文学家弗雷德·茨威基迈出了关键的第一步。1933年，他在研究后发座星系团的成员星系的运动时，发现这些星系的运动速度超乎寻常的大。这使他不得不给出一个让人吃惊的结论：后发星座系团中暗物质比可见成员星系加起来的质量大了数百倍，也就是说其绝大部分质量是“不可见”的。1936年，辛克莱尔·史密斯在研究室女星系团时也得到了同样的结论。尽管站在今天来看，茨威基和史密斯的定量结果“错”得比较离谱，他们使用了一个过大的哈勃常数，而且我们今天还知道星系团中大部分质量处于不发出可见光的高温气体状态（它们在X射线波段异常明亮），但是他们的研究却奠定了我们今天所认识到的“暗”宇宙的基础。

星系旋转曲线

星系的旋转曲线指星系在不同位置时天体绕星系中心旋转速度的分布所构成的曲线。例如在太阳系中，通过将各大行星绕太阳旋转的速度随其轨道半径的关系画成图，可以得到太阳系的旋转曲线（图2上图）。根据万有引力定律和牛顿第二定律，我们知道旋转速度应该按照反比于根号半径的方式下降。实际测量结果也非常精确地验证了这个关系。自然地，到星系层面时大家也会有类似的预期。早在20世纪的上半叶，天文学家就开始进行关于星系转动速度的测量，然而半个多世纪以来，结论总是模棱两可，含糊不清。革命性的突破发生在20世纪70年代，新的光谱观测技术使得测量精度大幅提高，以肯特·福德、维拉·鲁宾、肯·弗里曼等为代表的天文学家通过对多个星系的旋转曲线的测量，逐渐明晰地表明：大多数星系的旋转曲线在很大半径处依然平坦延伸，与根据其恒星分布推断出来的结果迥异（见图2下图）。这意味着星系中普遍存在着质量可观的暗物质，其质量往往比发光物质更大，延伸范围也更远。从20世纪80年代起，暗物质的概念已经广泛为人们所接受了。

宇宙的组分

宇宙作为一个整体，它的演化行为由其组分决定。因此通过观测宇宙的演化行为，我们可以推测宇宙的组成成分。其中一种办法是通过超新星这样的天体来测量宇宙的膨胀速率。所用的天体是超新星的一个子类，称为“Ia型超新星”。这类超新星有一个巨大的优点，它们的总辐射光度都差不多，天文学家将其形象地称作“标准烛光”。那么实际测量到的超新星的亮度其实就反映了它们的距离，也对应于超新星爆发的时间。另外，通过超新星的光谱线的波长，我们还可以定出它们的红移（指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象，反映的是宇宙的大小）。根据这个距离-红移的关系，我们便可以得到宇宙在不同时刻的膨胀速率，从而得到宇宙的组分。观测超新星的最重大的成就是发现了宇宙的加速膨胀，而宇宙加速膨胀需要一种现在称作暗能量的东西来驱动。进行该项研究的3位领衔科学家——索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯因此获得了2011年诺贝尔物理学奖。除了超新星，还有很多的宇宙演化测量手段，包括微波背景辐射的各向异性分布、大尺度结构的演化、重子声学振荡、微引力透镜效应等。迄今多种宇宙学观测的结果一致描绘出了一个标准的宇宙图景，即“LCDM”，意为“宇宙学常数（也称暗能量）+冷暗物质”的宇宙模型。

2013年3月21日，欧洲普朗克宇宙探测器团队发布了新的全宇宙微波背景图。图像表明，宇宙的年龄比研究人员之前的推测稍微古老一些。这张宇宙的“婴儿照”将细微的温度变化镌刻在深空中。镌刻下的印记反应出宇宙在初始时期“泛起的涟漪”，这些“涟漪”带来了由目前星系团和暗物质组成的广袤的宇宙网络。该团队推算，宇宙的年龄为137.98±0.37 亿岁，由4.9%的普通物质、26.8%的暗物质和68.3%的暗能量组成（见图3）。

在这些天文证据的面前，暗物质的面目逐渐清晰起来。