早在20世紀30年代，加利福尼亞理工學院的天文學教授弗里茨·茲威基（一位著名的科學家，其刻薄的性格是出了名的。他非常喜愛對稱性，甚至因此會將他的同事稱為混球，他的解釋是，無論從哪個角度看他們都是混蛋——所以是球形對稱的混蛋，就是混球）就認識到，后發(fā)星系團（距離地球3.23億光年的星系團，由上千個星系組成）的偏遠星系中的可見物質(zhì)移動得太快以至于無法聚集起足夠的引力來使它們聚成團。茲威基通過分析指出，大多數(shù)快速移動的星系應(yīng)該被甩出星系團(這就好像行駛中的自行車會甩出很多泥水一樣)，但我們卻沒有看到星系被甩出星系團這樣的現(xiàn)象。

于是，茲威基假定該星系團中還存在其他一些不能發(fā)光但是具有引力效應(yīng)的物質(zhì)，正是這些物質(zhì)使該星系團聚在一起。通過計算，茲威基發(fā)現(xiàn)，要是這一解釋正確的話，星系團質(zhì)量的絕大部分就應(yīng)該由這種不發(fā)光的物質(zhì)組成。1936年，威爾森山天文臺的辛克萊爾·史密斯發(fā)現(xiàn)了確實的證據(jù)，通過對室女座星系團的研究，史密斯得到了類似的結(jié)論。但是，這兩個人的工作，連同后繼的一些工作，都存在著各種各樣的不確定性，使得人們還沒法確認就是大量的不可見物質(zhì)的引力將星系聚成星系團。

接下來的幾十年間，有關(guān)不可發(fā)光的物質(zhì)的實驗觀測證據(jù)越來越多，但只有美國女性天文學家薇拉·魯賓，以及肯特·福特和其他少數(shù)人的研究工作才真正抓住了問題的關(guān)鍵。

美國女天文學家薇拉·魯賓

薇拉·魯賓和她的合作者的研究基于這樣一個事實：星系都是旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其中的恒星和氣體環(huán)繞星系中心公轉(zhuǎn)(就像行星環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)一樣)。

旋轉(zhuǎn)星系

她們研究了大量旋轉(zhuǎn)星系中的恒星和氣體環(huán)繞星系中心公轉(zhuǎn)時發(fā)現(xiàn)，恒星和氣體的公轉(zhuǎn)速度是如此之快，理應(yīng)會脫離星系中心而飛散出去，就好像我們發(fā)射航天器的速度如果達到宇宙第三速度(16.7千米/秒)，那么航天器就會擺脫太陽的引力束縛，從而脫離太陽系進入廣袤的宇宙空間。但是，我們卻沒有觀察到這樣的現(xiàn)象，恒星和氣體仍然以不可思議的高速度繞星系中心公轉(zhuǎn)。這就告訴我們，可見的星系物質(zhì)不可能產(chǎn)生足夠強的引力以束縛住速度如此之快的恒星和氣體，除非它們被我們實際看到的多許多倍的物質(zhì)的引力束縛在一起，使之不能自由飛散出去。

但是我們怎么樣才能夠測量遙遠星系的公轉(zhuǎn)速度呢？對這樣遙遠的地方，要想分辨出單獨的一顆恒星都很困難，更不用說還要測量它們的公轉(zhuǎn)速度了。薇拉·魯賓和她的團隊用了一種叫做多普勒效應(yīng)的方法(該方法的數(shù)學推導詳見附錄)，她們比較了旋轉(zhuǎn)星系中心亮點兩側(cè)恒星發(fā)出的光的頻率，以此測定恒星繞星系中心的公轉(zhuǎn)速度。她們發(fā)現(xiàn)，既然星系是在旋轉(zhuǎn)的，那么其中一側(cè)的恒星是朝向地球方向運動的，而另一側(cè)的恒星則在背離地球而運動。

由于光的多普勒效應(yīng)，來自朝向地球運動的恒星的光頻率要比遠離地球運動的恒星的光頻率高。這跟你在人行道上聽到警車警笛聲時所感受到的現(xiàn)象是一樣的，當警車駛近你的時候，你會覺得警笛聲的音頻變高了(聲音變尖銳)，而當警車遠離你而去的時候，你會覺得警笛聲的音頻變低了(聲音變低沉)。

聲波的多普勒效應(yīng)

從這兩個頻率之間的差異，薇拉·魯賓能夠算出恒星的公轉(zhuǎn)速度，并根據(jù)這個公轉(zhuǎn)速度推斷了出暗物質(zhì)的存在。

暗物質(zhì)提供的引力使得星系中的恒星和氣體被束縛在一起繞星系中心公轉(zhuǎn)，如果我們不假設(shè)暗物質(zhì)的存在，那么就無法解釋恒星和氣體為何會以如此之快的速度公轉(zhuǎn)而不被甩出星系。

暗物質(zhì)存在的線索2：引力透鏡

除了薇拉·魯賓的方法，天文學家還通過另外一種所謂的“引力透鏡”方法推斷出暗物質(zhì)的存在。

從遙遠的星系到達地球的光，在其經(jīng)過的路程中，存在很多大質(zhì)量星系產(chǎn)生的引力場。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，引力場會使得光線被彎曲。

光線被引力彎曲

比如上圖，一顆恒星發(fā)出的光經(jīng)過太陽的時候被引力場彎曲，地球上的觀察者沿著恒星的光線方向看到的恒星視位置實際上并不是恒星的真實位置，這有點類似于我們看見浸入水中的筷子是彎曲的現(xiàn)象，原因就是光線的路徑不是直線。

引力對光線的彎曲，就像一塊放大鏡對光線產(chǎn)生的彎曲一樣，也會產(chǎn)生類似于放大鏡的視覺效果，所以這種效果被稱之為'引力透鏡'。當我們觀察位于星系背后的恒星的時候，由于恒星的光線被星系物質(zhì)產(chǎn)生的引力所彎曲，我們實際觀察到的恒星大小也被放大了，就跟放大鏡放大了物體一樣。

引力透鏡的放大效應(yīng)

甚至有時候，對于同一顆恒星，我們看到的卻是很多顆恒星，這同樣也是因為引力透鏡效應(yīng)的造成的。

由于引力透鏡效應(yīng)觀察到多顆恒星

最近美國的韋布空間望遠鏡公布了一張宇宙深場圖片，其中的一些連續(xù)亮光弧正是引力透鏡產(chǎn)生的效應(yīng)。

JWST宇宙深場

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，如果星系的質(zhì)量越大，它所產(chǎn)生的引力就越強，從而造成的光線彎曲程度也會更大。如果宇宙中只有恒星、行星和星系際氣體這些可見物質(zhì)，那么我們所觀察到的光線彎曲程度一般來說都是比較微弱的，也就是說引力透鏡效應(yīng)的視覺效果是非常小的，因為這些可見物質(zhì)所產(chǎn)生的引力強度還不是那么強。但是實際的情況卻是，我們觀察到的光線被彎曲地非常明顯，引力透鏡的視覺效果非常強烈，這個觀測結(jié)果有力地支持了暗物質(zhì)的存在。

暗物質(zhì)彌散在整個宇宙空間，我們的銀河系，以及許多別的星系，是浸在一團巨大的球形暗物質(zhì)云中的，其直徑是可見星系直徑的許多倍。

浸在暗物質(zhì)中的星系

正因為有了暗物質(zhì)的存在，宇宙中的星系才會產(chǎn)生如此強烈的引力，導致光線被大幅度地彎曲，進而產(chǎn)生更加劇烈的引力透鏡視覺效果。

暗物質(zhì)存在的線索3：星系團碰撞的質(zhì)量中心

上面我們說到，星系之間實際上充斥著大量的星系際氣體，而且這些氣體的質(zhì)量遠比星系內(nèi)的恒星物質(zhì)的質(zhì)量大得多得多。因此，如果有很多個星系(比如我們的銀河系)組成一個星系團，那么同樣地，在星系團內(nèi)部，星系際氣體的質(zhì)量也遠比恒星物質(zhì)的質(zhì)量大得多得多。

當兩個星系團發(fā)生碰撞的時候，這些星系際氣體與組成星系團的恒星物質(zhì)會發(fā)生分離。所以，理論上碰撞之后星系團的質(zhì)量中心應(yīng)該還會集中在星系際氣體中，因為星系際氣體質(zhì)量遠比恒星物質(zhì)的質(zhì)量大得多。如下圖所示：

但是，我們實際觀測到的碰撞之后的質(zhì)量中心仍然集中在上面紅色橢圓所示的區(qū)域，質(zhì)量中心并沒有如我們預想的一樣集中在星系際氣體的中心(圖中藍色橢圓的區(qū)域)。這個觀測結(jié)果又一次出乎了我們的意料，因為如果只存在我們看得見的這些物質(zhì)，那么大部分質(zhì)量不應(yīng)該集中在此處(圖中紅色橢圓的區(qū)域)，對此結(jié)果的一個直觀的想法就是：在星系團周圍，還存在一種至今我們還看不見的物質(zhì)，并且這些看不見的物質(zhì)的質(zhì)量要遠大于可見物質(zhì)的質(zhì)量；星系團發(fā)生碰撞之后，由于這些質(zhì)量更大的不可見物質(zhì)的存在，所以大部分質(zhì)量仍然集中在星系團的中心(圖中紅色橢圓的區(qū)域)，這與我們的觀測結(jié)果保持一致。所以下面這張圖才是真實的星系團碰撞圖像：

綠色部分就是不可見物質(zhì)，也就是暗物質(zhì)，它們的質(zhì)量遠大于可見物質(zhì)。

暗物質(zhì)存在的線索4：恒星的形成

在宇宙誕生的初期，宇宙經(jīng)歷了一個所謂的“黑暗時代”，也就是恒星還沒出現(xiàn)之前的時代。

宇宙中的黑暗時代

在這個黑暗的時代，宇宙誕生之后產(chǎn)生的氫元素和氦元素，才開始在引力的作用下聚集，最后形成恒星。如果只存在氫和氦元素，那么他們之間的引力還不夠強，在這樣的引力強度下，氫和氦聚集成恒星的過程至少要幾百億年的時間。而我們的宇宙，至今也只有138億年左右的時間。這就意味著，在“黑暗時代”，如果我們的宇宙只有氫和氦，那么宇宙短暫的138億年時間和微弱的引力根本就不足以形成現(xiàn)在的恒星，我們的宇宙也不會演化成現(xiàn)在這個樣子。因此，解釋這個矛盾的一個直觀的想法依然是：宇宙中還存在一種不可見物質(zhì)，由于這些物質(zhì)的存在，大大加強了宇宙中的引力強度，從而加速了整個宇宙中氫和氦聚集形成恒星的過程。這些不可見物質(zhì)也就是暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)是什么？

雖然有很多線索間接地證明了暗物質(zhì)的存在，但是暗物質(zhì)究竟是什么？它們是由什么組成的呢？

很遺憾，直到現(xiàn)在也沒有人能給出肯定的答案。盡管天文學家和物理學家已經(jīng)就暗物質(zhì)是什么提出了很多種可能性——從各種奇異的粒子到小型黑洞，但暗物質(zhì)究竟是什么仍然是天文學和理論物理學中的一個主要未解之謎。目前我們沒有哪種已知的物質(zhì)形式能夠說明它，科學家預期它是一種全新的物質(zhì)形式，它同尋常物質(zhì)的相互作用必定很弱，否則現(xiàn)在它應(yīng)當已被我們直接發(fā)現(xiàn)了。但是不論它是什么，我們可以非常肯定地相信它就在我們周圍。也許每秒鐘就有幾十個暗物質(zhì)粒子穿過你的身體，而不在你的身體上留下任何效應(yīng)。隨著我們的實驗技術(shù)和理論方法的不斷進步，相信在不久的將來我們會在實驗室中探測到它的存在。

為什么我們會這么自信？因為類似的情況在1914年至1955年期間曾經(jīng)發(fā)生過，這個例子就是中微子的發(fā)現(xiàn)。

20世紀初, 原子核物理學家研究了一種叫做  衰變的 “放射性衰變”。所謂  衰變就是一個原子核自發(fā)產(chǎn)生一個電子并把它從原子核內(nèi)射出的過程(即一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€質(zhì)子和一個電子，電子迅速從原子核中跑出來)。這個過程改變了原來的原子核。如果能量守恒，那么原來的原子核的核能應(yīng)該等于衰變后的原子核的核能加上射出的電子的能量。然而測量表明，衰變前的能量大于衰變后的能量，這違背了能量守恒定律。為了維護能量守恒定律的普適性和客觀自然性，物理學家們假設(shè)有某種未檢測到的粒子與電子一道射出，只要把這個粒子的能量也包括進來，能量就會平衡。雖然當時沒有檢測到假設(shè)的粒子，但物理學家們認為它的能量可以通過把原子核用一個鉛制大圓柱體圍起來而直接測出。雖然我們看不到的這個粒子，但是它肯定會在一個充分粗的鉛柱內(nèi)減慢并且停下來，并把它的能量交給鉛，從而引起鉛內(nèi)的溫度升高。然而我們并沒有觀測到溫度的升高。也許在  衰變中能量就是不守恒的。事情就這樣從1914 年一直持續(xù)到1930 年。玻爾等一些科學家在1929 年前提出能量守恒不適用于原子核。然而別的科學家不接受這種看法，1930 年物理學家泡利假設(shè)這種新粒子的穿透力是如此之強，以至于它能穿透很厚的鉛而不交出任何能量，一旦找到這個逃掉的粒子，就會發(fā)現(xiàn)能量還是守恒的。

這就引發(fā)了對這種粒子的搜尋。不久, 物理學家發(fā)現(xiàn)了另一個不同于   衰變的間接證據(jù)，他們把這個假想的粒子命名為 “中微子”。這個粒子最后在1956 年被直接探測到。實驗表明，正如泡利所預言的，只要把中微子包括到收支賬目中，能量是守恒的。

我們相信暗物質(zhì)也會跟中微子一樣，最終會被我們?nèi)祟愒絹碓骄_的實驗儀器所探測到，那將是一件里程碑性的工作。

雖然我們現(xiàn)在還不知道暗物質(zhì)究竟是什么東西，但是科學家們還是找到了辦法估算出了宇宙中的暗物質(zhì)含量，這個估算的結(jié)果完全顛覆了我們的固有認知。暗物質(zhì)的含量竟然占了宇宙中所有物質(zhì)的23%，而我們尋常所見的恒星、行星等直接可見的物質(zhì)，以及星系際氣體、黑洞和中微子這些間接可見物質(zhì)，它們合起來僅僅占了宇宙中所有物質(zhì)的4%！原來我們一直以為的構(gòu)成宇宙的主要物質(zhì)，竟然少得如此可憐！

但是請稍等，23%加上4%不過才27%，剩下的73%去哪了？沒錯，這剩下的73%正是所謂的“暗能量”，我將在下一篇文章中詳細介紹它，今天這篇文章就到此結(jié)束。下面是附錄的內(nèi)容，也就是多普勒效應(yīng)的公式推導，對數(shù)學不反感的同學可以繼續(xù)往下看，其實它的推導邏輯是非常簡單的，只不過數(shù)學公式對大部分人來說顯得很勸退，為了勸住更多的讀者，同時也為了避免影響文章的主線結(jié)構(gòu)，我用附錄的形式把這部分推導過程放在了文章最后面。

附錄：多普勒效應(yīng)公式推導

多普勒效應(yīng)是一種非常常見的物理現(xiàn)象，它產(chǎn)生的根源是波源與觀察者之間存在相對運動。

下面我們分兩種情況討論這個效應(yīng)。

在不考慮相對論效應(yīng)的情況下，假設(shè)有一個傳播速度為  的波源，它的波長為  ，固有振動頻率為  ，波源發(fā)出兩個波峰的時間間隔就是波的振動周期  ，這些物理量滿足下面的關(guān)系： 當波源朝與觀察者相對靜止的時候，觀察者接收到的兩個波峰之間的時間間隔也是波的固有振動周期  ，即觀察者觀測到這個波源的頻率  。

現(xiàn)在，如果讓波源以速度  運動起來，比如朝向觀察者運動，那么波源發(fā)出兩個波峰的時間間隔仍然是  ，但是由于波源在運動，波源在發(fā)出第二個波峰的時候(即經(jīng)過時間  之后)，實際上它已經(jīng)朝向觀察者運動了一段距離  。所以波源發(fā)出的兩個波峰的距離是  ,所以觀察者接收到的兩個波峰之間的時間間隔為： 所以，觀察者接收到的波源的振動頻率實際上是： 很明顯，這個頻率已經(jīng)不再等于原來波源的固有振動頻率  ，因為它前面還有一個比例系數(shù)  。也就是說，觀察者接收到的波的頻率已經(jīng)發(fā)生了變化，由于  ，所以  ，即觀察者接收到的波的頻率比原來波源的固有頻率  還要大，我們稱之藍移。這個頻率的變化幅度，也就是我們所說的頻移量，可以表示為： 同樣地，當波源遠離觀察者的時候，觀察者接收到的兩個波峰之間的時間間隔變?yōu)椋?nbsp;頻率為： 這時候頻率  ，因為比例系數(shù)  ，這種情況我們稱之為紅移。

如果我們考慮相對論效應(yīng)，那么頻率移動的量就會有所不同。假設(shè)我們現(xiàn)在考慮的是光源的情況，即一個光源相對觀察者運動，光源的傳播速度是光速 c，頻率、周期和波長我們依然記為  ，  和  ，則我們同樣有如下關(guān)系式： 其中，c就是光速。

與非相對論情況不同的是，當光源朝向觀察者運動時，光源在發(fā)出兩個電磁場波峰的時間間隔內(nèi)移動的距離不再是  ，而是由于發(fā)生了相對論性的尺縮效應(yīng)，這個距離也變?yōu)椋?/span>

其中的   就是洛倫茲因子，它的表達式為： 。

又由于光速不變原理，光源發(fā)出的兩個波峰的傳播速度在觀察者看來仍然是光速c，所以這兩個波峰在觀察者看來，其時間間隔為： 則觀察者接收到的光源的頻率為： 根據(jù)  ，我們可以繼續(xù)化簡為： 由于  ，所以有  ，即發(fā)生頻率藍移。

如果我們根據(jù)  這個關(guān)系式，把上面關(guān)于頻率的關(guān)系式改寫成關(guān)于波長的形式，則有： 由于   ，所以有  ，即在觀察者看來，他所接收到的光的波長變小了。在我們的光譜線中，波長變小了，就相當于譜線向頻率更高的藍光方向移動，所以我們稱之為藍移。

同樣地，如果光源遠離觀察者運動，那么觀察者接收到的光的波長和頻率與原來的波長和頻率的關(guān)系就變?yōu)椋?nbsp;  從這個結(jié)果中可以看出，原來根號內(nèi)的分子分母的加號和減號發(fā)生了反向變化。這時候觀察者接收到的頻率變小了，波長變大了，即光譜線向頻率更低的紅光的方向移動，所以我們稱之為紅移。

薇拉·魯賓正是通過多普勒紅移公式計算出了旋轉(zhuǎn)星系的公轉(zhuǎn)速度，即通過觀察朝向地球和遠離地球時光頻率  和波長  的變化，逆推計算出恒星的速度v。

參考資料：