什么是暗物质

郭红锋

暗物质、黑洞、虫洞、外星人、时间旅行等等，都是当前科学界最热门的话题，也是最前沿的研究领域。很多同学都想了解这些方面的信息，但连科学家都没搞清楚的问题，我们怎么能讲清楚呢？但我们可以给同学们介绍一些背景知识，让同学们了解一些最新的研究进展。

暗物质概念的提出

天文界公认的给出暗物质量化概念的，是美国加州理工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基。1933年茲威基在研究后发座星系团时，用2种方法估算了后发座星系团的总质量，结果用星系物质之间引力关系计算出来的质量，要比用光度测量分析得到的发光物质总质量大400倍！如此巨大的误差只能有一个解释：发光星体的质量只是星系团质量的一小部分，还有很大一部分质量是看不见的或者说是未知的，于是他把这叫作“短缺质量”。虽然与兹威基同时代的人也有类似的研究支持他的结论，但这一概念以及突破性的结论在当时并没有引起学术界的重视。

直到20世纪60～70年代，美国女天文学家薇拉·鲁宾对仙女座大星系（M31）的星系旋转特性进行了测量，也就是测量距离星系中心不同半径处物质的旋转速度，才得到图2的所示结果。图中横坐标是距星系中心的距离，纵坐标为旋转速度，图中白色曲线是理论计算的曲线，红色是实际观测的曲线。

从实测的不同半径处物质的旋转速度关系图（见图2）中可以看出，离星系中心不同距离处的天体，围绕中心旋转的速度都差不多，星系外围的绕转速度明显比计算得到的要快很多。薇拉·鲁宾又观测了其他星系，其旋转曲线全部都是平直的。而随后其他射电天文学家们对25个其他星系的观测中，发现有22个星系的旋转曲线都是平直的。科学家们有理由认为，宇宙中存在着我们看不到的物质，为弥散于星系各处的天体和气体提供着引力。如果没有这部分“看不见的物质”的作用，那么这些星系团的引力就不足以将其中的星系像现在我们观测到的这样束缚在一起。在这之后，科学家们也从更多的方面发现越来越多的证据，证明大量的“观测之外”的物质质量甚至比我们“看得到”的还要大。20世纪80年代，科学家正式提出了“暗物质”这个名词。

引力透镜——测量暗物质的有效方法

虽然科学家通过理论证明了暗物质的存在，但还是无法探测到它的真实面目。暗物质之所以称为“暗”，是因为它几乎不发光，也不参与电磁相互作用，所以即便是我们现在已经拥有几乎是全部电磁波段的观测手段，也拿这些暗物质束手无策。

但科学家还是想了很多办法来抓住它，即使无法直接看到它，天文学家们也能另辟蹊径，通过引力相互作用来找寻暗物质。根据爱因斯坦的广义相对论，光线经过强引力场时将会发生弯曲。如果从遥远星系发出的光线，经过有暗物质的中间区域到达地球，那么在地球上的观测者将会发现星系的影像发生改变，这就是有效而直观地探测暗物质的方法——引力透镜。

引力透镜因类似于光学透镜的汇聚效应而得名。引力透镜效应是爱因斯坦的广义相对论所预言的一种现象：时空在大质量天体附近会发生畸变，使光线在大质量天体附近发生弯曲。如果在观测者到光源的视线方向上有一个大质量的前景（例如暗物质）使得远处光源的光线弯曲，就好像是一面透镜放在观测者和天体之间一样，使观察者看到的遥远天体的图像发生了畸变，这种现象被称为引力透镜效应（见图3）。

假设我们观测到的远方星系物质与我们之间隔着一层看不见的暗物质，那么我们实际看到的就是被引力透镜弯曲了的背景星系，这就可以判定造成光线弯曲的前景（暗物质）的质量分布。在观测中实拍的宇宙图片中，具有引力透镜效果的例子是很多的，例如图3中的那些弧形，就是引力透镜效应的结果。经过计算，前景星系（暗物质）的质量远大于用光度推算的质量。通过对引力透镜现象的研究，人们发现了大量暗物质存在的证据。

其实有一些看不见的物质，也不是什么大不了的事，比如在遥远的太空也看不见我们的地球、水星、火星等其他一些自身不发光的星球。但是暗物质是不一样的，从实际计算和观测发现，“看不见”的质量远远比想象的大得太多，难以用一般的理论推测去解释，故而才会被重视并命名为“暗物质”。根据天文学的各种推算，组成星系团的质量中，暗物质的比例超过80%。

此外，关于暗物质的研究进展，同学们还可以结合本期“太空课堂”栏目相关文章进行进一步的学习。最后，给同学们留下一个思考的问题：黑洞是暗物质吗？请发邮件到邮箱chinahou@bao.ac.cn，记得要写清你的联系信息（姓名、学校、电话等）哦，我们会按照你的要求，及时回复的。