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科学|科学家怎样证明暗物质的存在？


暗物质是指宇宙中那些我们看不见的物质 。 它占了宇宙质量的大部分 ， 但不会发出光线 。 不过 ， 它们的引力可以作用于一切物体 。
宇宙中的全部物质都好像被一大团沉重的、看不见的东西拉扯着一样 ， 但天文学家还不确定这种“东西”究竟为何物 。
科学家已知存在的大部分暗物质都位于所谓“光晕”、即星系内部的云团之中 ， 但有一个问题：根据计算机模拟结果 ， 这些暗物质核的表现并不符合它们应有的表现 。 常说 ， “眼见为实” ， 那么科学家为什么认为不可见的暗物质是存在的呢？ 来自两大领域的证据
自茨威基二十世纪30年代发现并命名“暗物质”后 ， 直到二十世纪70年代 ， 证明暗物质存在的研究才真正取得进展 。 为什么在长达四十年的时间里 ， 暗物质研究都没有进展呢？
当时 ， 天文学家刚刚意识到星系是由恒星组成的巨型集合体 。 茨威基观测后发座星系团时 ， 对爱因斯坦理论的验证刚刚起步 ， 首次宇宙测量正在进行 ， 核物理学家刚刚开始发展解释大爆炸和超新星的理论 。 星系复杂而遥远 ， 暗物质问题没有立即引起天文学家的关注 ， 也不足为奇 。
二十世纪70年代早期 ， 技术、天文学和粒子物理的进步为暗物质研究奠定了基础 。 广义相对论和核物理在关于早期宇宙的大爆炸理论中“携手” ， 更大的望远镜和更精准灵敏的光探测器提升了天文观测的速度和质量 ， 微型计算机的降价使从事物理和天文研究的机构有能力购进用于天文计算的高性能计算机 。 各领域的进步都为拉开暗物质综合研究的序幕做好了准备 。 不久 ， 两个重要的研究“应运而生” ， 来自计算机模拟和天文学观测的证据再次证明宇宙中存在暗物质 。
1973年 ， 供职于普林斯顿大学的天文学家欧斯垂克（Jeremiah Ostriker）和皮伯斯（James Peebles）使用数值模拟研究星系演化 。 他们应用多体数值模拟（N-body simulation）将300个质点编入计算机程序 ， 以此代表一个星系中围绕中心点转动的恒星群 。 在他们模拟的星系中 ， 靠近中心处的质点较多 ， 边缘处的质点较少 。 模拟运行时 ， 程序通过牛顿定律计算每对质点之间的引力 ， 显示出质点在短时间内如何运动 。 通过多次计算 ， 欧斯垂克和皮伯斯能够“追踪”星系中所有质点在长时间内的运动情况 。

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欧斯垂克和皮伯斯
欧斯垂克和皮伯斯发现 ， 大部分质点在一个轨道周期（质点环绕轨道一周需要的时间）内就会“压缩”为接近星系中心的高密度条状物 ， 仅有少数质点向更靠近边缘处的位置运动 。 这与通常情况下观测到的优美的螺旋形或椭圆形星系完全不同 。 但如果在模拟中加入相当于所有质点总质量3-10倍的均匀分布的静态质量 ， 输出的星系结构就变得合理了 。 欧斯垂克和皮伯斯的数值证据可以证明 ， 要形成我们观测到的星系结构 ， 暗物质的参与是不可或缺的 。
【科学|科学家怎样证明暗物质的存在？】与此同时 ， 供职于华盛顿卡内基研究所的天文学家福德（Kent Ford）和鲁宾（Vera Cooper Rubin）开始对仙女座星系（galaxy of Andromeda）的恒星运动进行细致观测 。 星系非常庞大 ， 即便是以每秒200公里的速度运动的恒星 ， 看起来也像是静止的 ， 天文学家需要通过多普勒频移计算其运动速度 。 早期 ， 测量仙女座星系不同部位的恒星速度极为困难 。 当时 ， 用于测量频移的光谱仪很长时间才能聚集足够的光线 ， 对仙女座星系某个特定部位的观测需要耗费数小时甚至数个夜晚 。 整合几次观测的图像也面临重重挑战 ， 结果经常出现误差 。 70年代早期 ， 更加灵敏的光探测器缩短了观测时间 ， 为在更大范围内进行星系观测带来曙光 。

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鲁宾正在测量星系光谱 ， 她用看起来像显微镜的设备发现光谱中的微小差别 ， 通过这些差别得出星系各个部分转动的速度 。
福德和鲁宾用新的探测器测量了仙女座星系内部和附近氢气云的速度 。 这些氢气云绕星系做轨道运动 ， 这在很大程度上类似于恒星在星系内部的轨道运动 。 福德和鲁宾设想 ， 与边缘处的氢气云相比 ， 星系可见边缘外的氢气云应该以更慢的速度运动 。 倘若星系的质量集中在发光之处 ， 福德和鲁宾的设想就符合维里定理的推测 。 但他们的发现恰恰相反：星系可见边缘外的氢气云的轨道速度保持不变 。 如果牛顿引力定律是正确的 ， 星系可见边缘外必定存在额外的不发光的物质 。 鲁宾认为 ， 如果仙女座星系符合牛顿引力定律 ， 该星系必定含有暗物质 ， 离星系中心处越远、暗物质的数量越多 。
下图中的绿点表示实际观测到的M33星系中物体的轨道运动速度（竖轴）和该物体到星系中心点距离（横轴）之间的关系 。 位置较低的黄色虚线表示根据星系内的发光物推算的M33星系内物体的轨道速度 。 绿色的点明显与虚线不符：星系外的物体的轨道速度远快于预期 。 但如果星系中含有大量不发光物体 ， 远离星系中心的物体就会以更快的速度运动 。 绿色实线是以M33星系内含有暗物质为前提推算的物体轨道运动速度 。 这些轨道运动曲线为暗物质的存在提供了强有力的间接证据 。

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第三种证据
到上世纪70年代末期 ， 两种关于暗物质的证据已“脱颖而出” 。 星系团内的星系运动和气体云绕个体星系的运动证明 ， 要么星系和星系团中存在大量看不见的物质 ， 要么我们对引力的理解从根本上就是错误的 。 而对星系形成的模拟也显示 ， 要形成我们在夜空中观测到的螺旋形和椭圆形星系 ， 大量暗物质的参与不可或缺 。 上世纪90年代 ， 随着大气层外的射电望远镜“绘出”宇宙微波背景（cosmic microwave background） ， 第三种证据浮出水面 。
新的证据来自早期宇宙 。 天体物理学家相信 ， 大爆炸发生约一秒钟后 ， 由质子、中子、光子、电子和其它次原子粒子组成的致密混合物充斥了宇宙 。 当时温度极高 ， 以至于电子无法与质子结合形成原子 。 所有粒子高速分散 ， 使所有存在形式保持相同的温度 ， 即彼此处于热平衡状态 。 光子也在远离带电的质子和电子 ， 但它们无法到达很远的地方 。
在宇宙膨胀的过程中 ， 温度下降至约10亿开氏度 。 质子和中子开始结合 ， 形成原子核 。 在大爆炸发生约39万年后 ， 持续的膨胀和降温使宇宙温度下降到约3000开氏度 。 此时 ， 所有电子和质子均已结合形成电中性的氢原子 ， 所有其它带电粒子均已衰变 。 初始时期的氢气形成后 ， 宇宙对于光子来说变得“畅通无阻” ， 此后的130多亿年中 ， 它们始终在宇宙中穿行 。 这些来自早期宇宙的“古老”光子带有一个微波波长 ， 也就是人们所说的宇宙微波背景 。
中性的氢气形成前 ， 物质在空间中几乎是均匀分布的 ， 但量子力学的波动会引起普通物质和暗物质密度的微小变化 。 引力将普通物质和暗物质拉向每次波动的中心 。 暗物质向中心移动时 ， 普通物质会填充进来 ， 直至光子的压力将其推回并导致普通物质向外移动 。 引力的压力超过光子压力时 ， 物质才会再次向内填充 。 每次波动“周而复始” ， 波动频率由其大小决定 。 这种起伏会影响普通物质的温度 ， 使其在向内填充时升温 ， 向外移动时降温 。 暗物质不与光子发生相互作用 ， 不受这种效应的影响 。
中性的氢气形成时 ， 物质向内填充过的区域比周边区域温度高 。 反之 ， 物质“流出”的区域温度相对较低 。 物质在空间不同区域的温度以及与其保持热平衡的光子能够反映出暗物质在初始密度波动中的分布情况和普通物质的情况 。 电子和质子形成中性氢气时 ， 这种温度变化模式被“冻结”在宇宙微波背景中 。 因此宇宙微波背景中的温度变化图能够揭示大爆炸发生39万年后不同类型物质的位置和数量 。

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欧洲普朗克宇宙探测器团队于2013年发布的宇宙微波背景图
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 。
在这三大证据的面前 ， 暗物质的面目逐渐越来越清晰起来 。


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