暗物質是理論上提出的可能存在于宇宙中的一種不可見的物質，關于它，有著許多未解之謎，今天就跟隨我們一起淺談暗物質吧。

什么是暗物質

暗物質是為了解釋觀測與理論不匹配而提出的一個理論假設。在大量的天文學觀測中，看上去與現有引力理論相悖的現象中，絕大部分可以通過假設暗物質的存在得以合理地解釋。目前的天文學觀測和地面物理實驗表明：暗物質的基本性質是只參與宇宙中的引力相互作用，而不參與（或極其有限地參與）除引力作用之外的任何其他相互作用。

簡單來說，暗物質是一種我們可以通過引力感受到，但是幾乎無法用電磁波直接探測到的物質。現代天文學通過天體動力學、引力透鏡效應、微波背景輻射等觀測結果證明暗物質大量的存在于星系、星團及宇宙的大尺度結構中，其總質量遠大于宇宙中全部可見天體的總質質量，目前的數據表明：宇宙中暗物質大約占全部物質總質量的85%，占宇宙總質能的26%。

圖1: 宇宙學家們用超級計算機模擬的宇宙中暗物質分布圖景，其中亮度表征著當地的暗物質密度，亮點為高密度區，星系和星系團將在這些高密度區中形成。圖片來源：https://phys.org/news/2019-09-artificial-intelligence-probes-dark-universe.html

最早提出暗物質可能存在的是天文學家雅克布斯·卡普坦（Jacobus Kapteyn），他于1922年提出可以通過研究天體系統的動力學性質，間接推斷出星體周圍可能存在的不可見物質。

1933年，天體物理學家福瑞茲·茲威基（Fritz Zwicky）利用光譜紅移測量了科瑪星系團（Coma Cluster）中各個星系相對于星系團的運動速度，結合維里定理（Viral Theory），茲威基發現星系團中星系的速度彌散度遠遠高于理論預言，僅靠星系團中可見星系的質量產生的引力是無法將其束縛在星系團內的，因此星系團中應該存在大量的不可見物質，即暗物質，其質量至少是可見星系的百倍以上。辛克萊爾·史密斯（Sinclair Smith）在1936年對室女星系團（Virgo Cluster）的觀測也支持這一結論。 不過這一突破性的結論在當時未能引起學術界的重視。[1]

圖2：仙女星系（Andromeda Galaxy）中恒星的旋轉速度隨距離的變化曲線。紅色的曲線為無暗物質假設的理論預言，白色曲線為觀測得到的曲線。兩條曲線在遠離星系中心時的不同被認為是暗物質存在的關鍵證據之一。圖片來源：https://phys.org/news/2011-12-dark.html

暗物質的觀測證據

隨著天文觀測技術的進步，越來越多暗物質存在的觀測證據被天文學家發現。例如，1970年維拉·魯賓（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）利用高精度的光譜測量技術研究了仙女星系（Andromeda Galaxy）的恒星旋轉速度和距離的關系[2]，探測到的遠離星系核區域的外圍星體繞星系旋轉速度和距離的關系表明：在相當大的范圍內，星系外圍的恒星旋轉速度是恒定的，這與目前的引力理論根據可見物質所預言的星系旋轉曲線無法匹配，這意味著星系中可能有大量的不可見物質，并且不僅僅分布在星系核心區 。

另一個著名的暗物質存在證據是子彈頭星系團的觀測。2004年，馬克西姆·馬科維奇（Maxim Markevich）[3] 和道格拉斯·克勞（Douglas Clowe）[4] 發現合并星系團的x射線中心和引力中心存在著明顯的偏移，前者反映著星系團中的主要常規可見物質的并合行為，而后者則反映著星系團中全部物質的并合行為，兩者的偏差表明星系團中有大量非常規可見物質的存在。

圖3：合并星系團中的熱氣體分布和總質量分布對比圖。中間的紅藍色代表著熱氣體的分布，高亮度表征高密度區域；綠色等高線描述合并星系團的總質量分布。合并星系團中熱氣體中心和引力中心不重合是暗物質存在的另一個關鍵證據。圖片來源：https://astrobites.org/2016/11/04/the-bullet-cluster-a-smoking-gun-for-dark-matter/

暗物質與人類

了解完暗物質的基本概念和歷史后，你最可能要問：我知道，暗物質很酷，暗物質是宇宙中最多的物質，可是它和我的生活有什么關系呢？這是個非常好的問題，乍一看，暗物質也許和人們的日常生活沒什么關系，但實際上，暗物質極有可能關系到人類最關心的兩個問題：人類的起源和人類的結局。

◎暗物質與人類的起源

暗物質決定了宇宙中星系的起源、形成與演化，也就是說，今天銀河系的誕生、成長過程都受到暗物質的影響。天體物理學家們已經用數值模擬的方法研究了在沒有暗物質存在的宇宙中[5]，自引力系統的形成將非常困難，這種情況下，也許銀河系尺度的星系會非常難以形成，這就極大地降低了宜居星系的數目，從而使類太陽系系統的形成概率大大降低，進而宜居帶的類地行星也許就沒有機會形成了，就更不要說人類了。可以說因為暗物質的存在才會有今天的我們出現。

圖4：宇宙中存在（左）和幾乎沒有暗物質（右）時，計算宇宙學家們預言的宇宙中的質量分布，亮點代表高密度區域，即星系和星系團形成的區域。圖片來源：https://www.ted.com/talks/risa_wechsler_the_search_for_dark_matter_and_what_we_ve_found_so_far?language=en

◎暗物質與人類的結局

暗物質可能導致人類滅絕的論調聽起來也許有些危言聳聽，但是著名物理學家麗莎·蘭德爾（Lisa Randall）在《暗物質與恐龍》[6]一書中詳細地探討了暗物質導致恐龍滅絕的可能性和基本原理：太陽系繞銀河系中心運動時還會穿過銀河系中的暗物質盤結構，這一過程產生的引力擾動會提高太陽系外圍奧爾特星云中彗星的觸發概率，從而在太陽系中產生更多的危險天體，因此大大地增加了危險星體撞擊地球的概率。此過程會導致地球上因危險天體撞擊而產生周期性的物種滅絕，恐龍的滅絕便是其中的一次。如果將來銀河系中的暗物質導致彗星和地球相撞，一次不亞于恐龍滅絕的生態災難也許真的會是我們的結局。

蘭德爾博士的理論是個有趣且大膽的嘗試，尤其是關于『暗物質可以在銀河系中形成盤狀結構』的假設也是不同于主流暗物質模型的一次創新，不過科學家們依然需要用更優質的觀測數據和更嚴謹的科學方法來證實或者證偽這個假設。暗物質到底是不是恐龍乃至人類滅絕的罪魁禍首？希望未來科學家們會告訴我們答案。

總結

暗物質是當今物理學的最重要最熱點的問題之一，隨著新的科學數據的到來，對它的研究將更加深入。從星系到整個宇宙學尺度，我們都有證據證明暗物質的存在，但是我們是否能找到它并且弄清楚它的本質？這將是接下來幾十年里科學家們最主要的科學目標之一。希望這篇文章能讓讀者們簡單地了解暗物質的概念和歷史，以及暗物質與我們的聯系，讓我們一起為因研究暗物質而可能開啟的物理學新時代做好準備。

參考文獻

[1]History of dark matter, Bertone, Gianfranco; Hooper, Dan, 2018, Reviews of Modern Physics, Volume 90, Issue 4, id.045002

[2]Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions, Rubin, Vera C.; Ford, W. Kent, Jr. , 1970, Astrophysical Journal, vol. 159, p.379

[3]Direct Constraints on the Dark Matter Self-Interaction Cross Section from the Merging Galaxy Cluster 1E 0657-56, Markevitch M. et. al., 2004, The Astrophysical Journal, Volume 606, Issue 2, pp. 819-824.

[4]A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter, Clowe D. et. al., 2006, The Astrophysical Journal, Volume 648, Issue 2, pp. L109-L113.

[5]The search for dark matter — and what we've found so far, Risa Wechsler, 2019, TED@NAS

[6]暗物質與恐龍--宇宙中的萬物互聯, 作者: [美] 麗莎·蘭道爾, 譯者：茍利軍 / 李楠 / 爾欣中，2016, 浙江人民出版社

作者簡介：李楠，國家天文臺副研究員。研究方向為引力透鏡、宇宙學、以及機器學習在天體物理中的應用。