第一章 暗物質(zhì)概念的產(chǎn)生
前言
網(wǎng)絡的普及或便捷，讓我們可以方便地獲得一些知識，也方便了人們的相互交流。在學習或瀏覽網(wǎng)頁的過程中，我們可以迅速地把自己的想法或靈感寫出來，發(fā)到網(wǎng)絡上，以供大家鑒賞或批駁。這個過程是令人滿意的，能及時地得到各種反饋信息，相互之間得到了很好的交流。這對于急性子的人來說，太過癮了，這確實是一個偉大的美好時代！
廣袤的宇宙讓人遐想，一些人深思宇宙之奧妙。暗物質(zhì)或暗能量這些詞，似乎早就聽說過，也不知道是什么意思。幾年前，在瀏覽網(wǎng)絡科技文章的過程中，才逐漸接觸暗物質(zhì)內(nèi)容，并逐漸對之感興趣。熟悉了，就有靈感了，似乎對暗物質(zhì)的悟性有了靈感，究竟是什么靈感，現(xiàn)在似乎回想不起來了?？傊?，筆者有了全面論述暗物質(zhì)的想法，這就是本書的起源。
暗物質(zhì)地解釋五花八門，有贊成暗物質(zhì)的，有反對暗物質(zhì)的。贊成暗物質(zhì)的領域門派眾多，反對暗物質(zhì)的也是好幾種，都是不令人滿意的，筆者只能自己想法解決這個問題了。
第一章大致介紹暗物質(zhì)概念產(chǎn)生的歷程，哪些人對暗物質(zhì)概念的產(chǎn)生或普及做出了重大貢獻，以及一些宇宙學知識了解。
從第二章到第五章內(nèi)容都是筆者對暗物質(zhì)的全方位解釋，這是本書的核心內(nèi)容。筆者是不贊成所謂的暗物質(zhì)的，暗物質(zhì)只是各種各樣的沒有被發(fā)現(xiàn)的各種天體，這是筆者的核心思想。
為了湊夠篇幅，第六章介紹了筆者對暗能量的解釋，畢竟暗能量與暗物質(zhì)是姊妹概念，二者放到一起，感覺還是不錯的。
第七章大致介紹宇宙大爆炸內(nèi)容，進一步加深對宇宙的理解，算是暗物質(zhì)與暗能量的輔助知識。
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第一章 ??暗物質(zhì)概念的產(chǎn)生
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1.1茲威基開創(chuàng)了暗物質(zhì)概念
1933年，美國加州理工學院的茲威基（Zwicky，1898年–1974年）研究后發(fā)座星系團后，得出了讓他困惑的數(shù)據(jù)，也就是根據(jù)引力作用計算得到的質(zhì)量遠大于根據(jù)發(fā)光水平計算得到的質(zhì)量。他從而得出，會不會是在后發(fā)座星系團中存在著大量不發(fā)光的物質(zhì)呢？這就是最早的暗物質(zhì)概念。
我們知道，恒星往往會形成以自己為中心的天體系統(tǒng)，若干相鄰恒星往往會形成恒星團，構(gòu)成恒星之間的相互作用體系。大量的恒星或恒星團可以構(gòu)成更為龐大的系統(tǒng)，這就是星系，比如我們的銀河系。相互鄰近的星系也可以聚集成群，形成星系團，比如，我們銀河系所在的本星系團。星系團之間可以聚合成更大的星系團，我們銀河系所在的本星系團，與周圍星系團或星系形成了更為龐大的體系，本超星系團（室女座超星系團），后發(fā)座星系團應該就屬于這個級別。在本超星系團上面，還可以有更大一級體系，比如，我們隸屬的拉尼亞凱亞超星系團，而拉尼亞凱亞超星系團是星系細絲雙魚－鯨魚座超星系團復合體的一部分。
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圖1 科學家繪制的局部宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，上面的中心區(qū)域就是后發(fā)座星系團。此圖比較復雜，可供獵奇，是否看懂不影響閱讀其它內(nèi)容。
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圖2 美國宇航局（NASA）哈勃太空望遠鏡拍攝的后發(fā)座星系團的中心區(qū)域圖片
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圖3 NASA發(fā)布的后發(fā)座星系團
后發(fā)座星系團位于獅子座附近，由上千個大星系（其中任意一個都是類似于我們銀河系的星系）和幾萬個小星系（矮星系）組成的巨大的星系團。星系團中的星系在萬有引力的作用下，必然是相對運動的，形成了一個相互運動或相互束縛的巨型天體系統(tǒng)。星系團中的星系的運動速度足以克服相互之間的引力作用，而不至于融入一體，但又不至于逃逸出群體，而導致星系團解體。
這意味著星系團中單個星系的平均運動速度與星系團總質(zhì)量成正向關系，與星系團物質(zhì)平均分布密度成正向關系。按照這個道理，我們只需要知道星系團中星系的平均相對運動速度和星系團的尺度（體積），就可以計算出星系團的總質(zhì)量或物質(zhì)分布密度了。當然，這應該就是維里定理的核心內(nèi)涵了。只需要數(shù)據(jù)套入維里定理的公式中，就可以估算出星系團中星系的平均質(zhì)量了。茲威基就是通過這個方式估算出星系團中星系的平均質(zhì)量的。這是通過引力作用估算的質(zhì)量，這就是引力質(zhì)量或動力學質(zhì)量。
其實，星系團的引力作用類似于恒星團體系，其外層星系環(huán)繞星系團中心運動，這個環(huán)繞速度是比較穩(wěn)定的，這與星系團內(nèi)部的星系的運行速度情況明顯不一樣。星系團或星系雖然質(zhì)量巨大，但是運動速度依然遠離光速，完全適合萬有引力公式。因此，根據(jù)萬有引力公式和向心力公式得到的V環(huán)=√（GM/R）這樣的公式依然適合星系團外圍星系的運動速度。這個環(huán)繞速度與星系團質(zhì)量的平方根成正比，與距離星系團中心的距離的平方根成反比。星系團內(nèi)部的星系運動情況應該會復雜一些，比如，其運動速度大小的變化幅度會較大，其運動路徑也會較為復雜，我們不需要了解這些。
·?通過測量星系的亮度，然后根據(jù)亮度估算星系的質(zhì)量，這樣得到的質(zhì)量稱為“光度學質(zhì)量”。我們知道，恒星等發(fā)光天體發(fā)出的光線是沿著三維空間向四周輻射，而球面積與半徑的平方成正比，因此，恒星周圍空間單位面積所通過的光子數(shù)量自然與半徑R的平方成反比。
·?雖然天體系統(tǒng)中不僅有發(fā)光的恒星，并且恒星的質(zhì)量也有明顯差異，還有許多不發(fā)光或發(fā)光較少的天體，但是科學家通過實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)知道，各個天體系統(tǒng)恒星占比質(zhì)量幾乎是接近的，差異不大。天體系統(tǒng)的發(fā)光量與質(zhì)量的比值（光質(zhì)比）差異較小，或較為固定。因此，在距離相等時，發(fā)光量或光度還與天體質(zhì)量成正比。這讓科學家可以通過觀測某個星系或星系團的發(fā)光量（光度），以及這個星系或星系團與我們太陽系的距離，根據(jù)已有的經(jīng)驗，即光質(zhì)比，來推測這個星系或星系團的質(zhì)量。
茲威基雖然意識到后發(fā)座星系團擁有大量的不發(fā)光或者發(fā)光很微弱的物質(zhì)或天體，其在論文中猜測，在后發(fā)座星系團中包含大量暗物質(zhì)，也就是不發(fā)光或者相對很暗的物質(zhì)。這是“暗物質(zhì)”這個詞第一次出現(xiàn)在學術論文中。
由于后發(fā)座星系團距離地球3.5億光年，不發(fā)光或者發(fā)光很微弱的天體或物質(zhì)，在地球上觀測不到，這也是很好理解的。那時的觀測水平遠不如現(xiàn)在，比如，那時雖然理論上知道存在黑洞，但是還沒有找到黑洞。因此，茲威基對自己的論文內(nèi)容并沒有感覺到多少新奇之處，這只是其感覺的普通學術論文而已。茲威基也就沒有繼續(xù)關注這個問題，很快，他的注意力就完全被明亮的“超新星”吸引過去了。直到他1974 年去世，都沒有再關注暗物質(zhì)這個概念。
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1.2魯賓讓暗物質(zhì)概念產(chǎn)生了極大吸引力
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在茲威基論文中出現(xiàn)暗物質(zhì)一詞三十年后的1960年代，一位叫魯賓（Rubin，1928年－）的美國女天文學家，在研究銀河系的轉(zhuǎn)動時，和茲威基研究后發(fā)座星系團一樣產(chǎn)生了巨大困惑。銀河系外側(cè)的恒星繞銀河系中心轉(zhuǎn)動的速度，比用理論推算出的數(shù)值大了太多。
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圖4 根據(jù)魯賓等一批科學家觀測的大量數(shù)據(jù)，科學家繪制的銀河系天體環(huán)繞銀河系中心的線速度變化趨勢圖，縱坐標的速度單位是千米每秒，橫坐標的距離單位是光年。
畢竟時代不同了，相對茲威基時代，人類對宇宙的了解更多了，人類觀測宇宙的能力更強了。魯賓對同樣的困惑，不再輕易解釋了，而是持續(xù)研究了十幾年。她取得了大量翔實的觀測數(shù)據(jù)，又做了仔細的計算，她發(fā)現(xiàn)，如果要維持銀河系目前的轉(zhuǎn)動速度，又不讓銀河系分崩離析，銀河系的總質(zhì)量必須遠遠高于目前已經(jīng)觀測到的所有可見天體的質(zhì)量。也就是根據(jù)引力等公式計算出來的質(zhì)量遠大于根據(jù)天體發(fā)光水平計算出來的質(zhì)量，引力質(zhì)量遠大于光度學質(zhì)量。
魯賓在疑惑中通過大量數(shù)據(jù)，幾乎確定無疑地發(fā)現(xiàn)銀河系的大部分物質(zhì)看不到。當然，這是一個巨大的困惑，長期的困惑，她不可能默默獨自研究這個問題，她把這種困惑分享給了同事。自然是得到了同事的支持和幫助，在與同事的思想或?qū)W術交流中，困惑被分擔了，思路更加清晰了，信念或結(jié)論更加堅定了。到1980年，她和同事共同發(fā)表了詳細描述這些發(fā)現(xiàn)的學術論文，這是一篇影響很大的有關暗物質(zhì)的論文，從此，暗物質(zhì)一詞走入科學家的視野。
茲威基本人對自己的發(fā)現(xiàn)雖然困惑，但并不看重，自然也沒有動力與同事分享。實際上，他就是發(fā)表成學術論文，大家也只是一看了之，不會有什么回響。這是時代的限制，茲威基的發(fā)現(xiàn)有些超前。魯賓的發(fā)現(xiàn)那就是與時代同步了，資料豐富，數(shù)據(jù)扎實，自然是反響非凡。
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圖5 科學家繪制的一般星系的自轉(zhuǎn)曲線圖：根據(jù)光度學質(zhì)量的預測值（A）和實際的觀測值（B），代表距離的橫坐標與代表速度的縱坐標相交的地方是星系的中心。暗物質(zhì)的存在可以解釋為何在半徑較大時速度幾乎不變。
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圖6 這是歐美科學家繪制的靠近仙女座星系，距離地球約三百萬光年的三角座星系天體環(huán)繞中心速度示意圖，橫坐標單位是萬光年。根據(jù)其環(huán)繞速度與銀河系天體環(huán)繞速度的差異，我們可以判斷其質(zhì)量大約是銀河系質(zhì)量的四分之一。圖中的兩個曲線差異，顯示其擁有豐富的暗物質(zhì)。
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1.3讓更多科學家站臺的星系碰撞事件
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2006年，美國亞利桑那大學以道格拉斯·克洛為首的一組天文學家，利用錢德拉X射線望遠鏡對距離太陽系1億光年的船底座區(qū)域，編號為1E 0657-56 的星系團進行觀測時，無意間觀測到星系碰撞的過程。星系團碰撞威力之猛，使得暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開，因此許多人認為發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。
圖7 兩個高速碰撞的星系組成了子彈星系團，這是以道格拉斯·克洛為首的科學家根據(jù)引力透鏡觀測技術得到的數(shù)據(jù)信息，加工后的彩色圖像。
這兩個星系相向運動而碰撞，導致其中的氣體分子炙熱起來，高溫的氣體分子會輻射出x射線，形成了外形像子彈頭的氣團，圖中的紅色部分。
X射線波段的觀測表明，兩個星系團在碰撞、融合時，主要物質(zhì)都集中在子彈狀的紅色氣團中。外圍的藍色部分并不輻射太多的x射線，這顯示藍色部分并沒有太多的天體。但是藍色部分卻有明顯的引力透鏡效應，也就是說經(jīng)過藍色區(qū)域的光線會由于引力的作用而變得明顯彎曲（引力透鏡）。既然藍色部分并沒有太多的天體，為什么會表現(xiàn)出如此顯著的引力透鏡效應呢？結(jié)論自然是，藍色區(qū)域充斥著大量的暗物質(zhì)，是暗物質(zhì)的引力作用才導致了光線的異常彎曲。
星系碰撞導致暗物質(zhì)與可見物質(zhì)的分離，讓人們更加直觀地感受到了暗物質(zhì)的存在，讓人印象深刻。星系碰撞是一種低概率事件，一次星系碰撞的過程可能持續(xù)上億年，不過，這種場景依然在宇宙中是少見的。當然，再次發(fā)現(xiàn)類似的星系碰撞過程應該也不是太困難，我們宇宙中應該存在相當一部分這樣的星系碰撞行為，這種現(xiàn)象絕不是孤立的。
這次觀測似乎太有說服力了，加上之前的眾多傾向于暗物質(zhì)的證據(jù)，曾經(jīng)搖擺不定的科學家，或者對暗物質(zhì)嗤之以鼻的科學家，特別是那些理論物理學家開始轉(zhuǎn)向了。想法把自己的理論與暗物質(zhì)融洽，從理論上設想各種可能模式的暗物質(zhì)。自此，暗物質(zhì)成為科學研究的主流，大量科學家開始把精力用到這個領域。
兩個相向運動的星系，自然會在引力作用下，相互加速。在距離很近的時候，相互應該可以加速到相當可觀的水平。筆者準備在后面的內(nèi)容中討論這個問題，現(xiàn)在先回避這個問題。
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1.4引力透鏡成為暗物質(zhì)研究的主要工具
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在上面的星系碰撞事件中，我們已經(jīng)涉及引力透鏡這個內(nèi)容了，現(xiàn)在引力透鏡已經(jīng)成為天文學家研究宇宙的強大工具。
無論是根據(jù)萬有引力還是根據(jù)廣義相對論，光線的方向都會受到引力的作用，光線的方向會因引力而改變。此時根據(jù)相對論內(nèi)容判斷光線方向的改變幅度更為接近實際情況。相對論內(nèi)容中，引力對光線方向的改變量是萬有引力等牛頓力學對光線方向改變量的二倍，這個結(jié)論具有普適性。不了解廣義相對論，此時也無妨，只需要根據(jù)牛頓力學計算出來的光線方向改變量乘以二，就可以與實際相仿了。此時我們就把難懂的相對論化解成了牛頓力學，我們就比較容易理解引力透鏡現(xiàn)象了。
圖8 美國科學家繪制的引力透鏡效果圖
光線經(jīng)過天體附近，會受到天體較為明顯的引力作用，光線向天體方向靠攏，這個過程會導致光線的路程發(fā)生改變，也就是光線在天體附近被彎曲了。此時，天體或天體的引力作用類似于凸透鏡，讓經(jīng)過天體附近的光線集聚起來，這就是引力透鏡效應。
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圖9 美國科學家繪制的特殊情況下的引力透鏡效果圖。如果是特殊的位置或巧合的引力強度，引力透鏡效應可以讓天體產(chǎn)生這種環(huán)狀分布的多個鏡像。
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圖10 歐美科學家繪制的引力透鏡效果圖
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圖11 歐美科學家根據(jù)引力透鏡技術得到的觀測數(shù)據(jù)，加工繪制的引力透鏡效果圖。
????引力透鏡已經(jīng)成為天體研究的重要工具，可以發(fā)現(xiàn)許多大質(zhì)量天體，比如，一些黑洞。如果某個較小區(qū)域產(chǎn)生了明顯的引力透鏡效應，也就是引力透鏡效應范圍小而明顯，說明這個區(qū)域的中心有一個大質(zhì)量天體，這個天體就是較大質(zhì)量的黑洞。如果某個較大區(qū)域產(chǎn)生了一定水平的引力透鏡效應，說明這個區(qū)域分布著星系或星系團，如果這個區(qū)域并沒有發(fā)現(xiàn)可見的星系或星系團，說明這個區(qū)域分布了一個完全由暗物質(zhì)構(gòu)成的星系或星系團?？茖W家竟然真的發(fā)現(xiàn)了一個這樣的星系，幾乎完全由暗物質(zhì)組成的星系，并且根據(jù)細微的引力透鏡效應繪制了這個暗物質(zhì)星系的輪廓。
由于天文觀測水平的極大提高，科學家可以區(qū)分細微的引力透鏡效應，即光線彎曲的程度，這讓科學家可以計算出充當引力透鏡的天體質(zhì)量。這為科學家計算天體質(zhì)量提供了新的手段，也進一步促進了天文觀測能力的提高。
通過引力透鏡計算出的充當引力透鏡天體的質(zhì)量與通過天體系統(tǒng)的彌散速度而計算出的質(zhì)量是一樣的，都屬于引力質(zhì)量，引力透鏡效應自然成為引力質(zhì)量的另一個計算方法。這對更遠距離的天體的引力質(zhì)量計算極為重要，因為，距離我們太陽系越遠，天體系統(tǒng)的相對運動速度或彌散速度就越不容易測量。因此，距離太陽系達到一定程度時，引力質(zhì)量只能靠引力透鏡效應來推算?？梢?，引力透鏡效應這個天文觀測手段是如此重要。
較遠距離的天體系統(tǒng)的暗物質(zhì)就是通過引力透鏡效應估測的，引力透鏡效應計算出天體系統(tǒng)的引力質(zhì)量，根據(jù)光度或距離計算出光度學質(zhì)量，引力質(zhì)量與光度學質(zhì)量之差就是暗物質(zhì)質(zhì)量。人們據(jù)此得到了豐富多彩的暗物質(zhì)分布數(shù)據(jù)。
圖12 科學家根據(jù)引力透鏡效應，發(fā)現(xiàn)星系團CL0024+17內(nèi)部存在一個暗物質(zhì)圈，在這張哈勃太空望遠鏡相片里以藍色顯示出來。
圖13 科學家通過引力透鏡定位了這些聚集阿貝爾1689星系團的暗物質(zhì)，在這張哈勃太空望遠鏡相片里以藍色表示。
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1.5初步尋找暗物質(zhì)的過程
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在暗物質(zhì)逐漸被科學家關注之后，人們很樂觀，覺得很快就能搞清楚暗物質(zhì)。宇宙中不發(fā)光的天體多得是，隸屬于恒星系統(tǒng)的行星或衛(wèi)星就不發(fā)光，以及像地球這樣大小的流浪星球都不發(fā)光。比行星大，比恒星質(zhì)量小的褐矮星也很暗。這些不發(fā)光或很暗的天體因為距離遙遠，在地球上觀測不到，是很正常的。當然，還有質(zhì)量明顯比普通恒星大的黑洞，就更不發(fā)光了。
圖14 美國的斯皮策太空望遠鏡以紅外線觀測為主，其發(fā)現(xiàn)的發(fā)出少量紅光的褐矮星。我們銀河系中的褐矮星的數(shù)量很有可能會超過發(fā)光的恒星的數(shù)量。
黑洞、中子星、褐矮星、白矮星、自由行星、甚至暗淡的紅矮星，質(zhì)量大致在0.00000001個太陽質(zhì)量到100個太陽質(zhì)量之間。暈族大質(zhì)量致密天體（MACHO）是一些體積很小的大質(zhì)量重子物質(zhì)，沒有或只有很少的電磁輻射，在星際空間不與恒星系統(tǒng)發(fā)生影響。暈族大質(zhì)量致密天體自身不發(fā)光，所以很難被探測到，我們可以稱之為暗天體。1980年代之后的相當長時間內(nèi)，科學家們把暗物質(zhì)鎖定在了這種暗天體上。
如果暗物質(zhì)就是這些暗天體，那么其質(zhì)量應該是普通天體的五倍多，也就是說我們銀河系中應該充斥著這種暗天體。但是由于這些天體太暗，無法用光學或者射電望遠鏡看到，所以，探測他們的主要方法就利用微引力透鏡效應，這是更加靈敏的引力透鏡探測方法。
利用星系整體作為引力透鏡，星系質(zhì)量巨大，背景光線彎曲效果明顯，這就是引力透鏡效應。單個天體質(zhì)量就小多了，空間尺度也較小，用單個天體作為引力透鏡，背景光線彎曲效果就不明顯了，這樣就稱為微引力透鏡效應。
質(zhì)量不是太大的天體產(chǎn)生的引力效應對光線的方向影響是很微弱的，但這依然可以讓光線集中（類似于透鏡對光線的聚焦作用），這是微引力效應的重要結(jié)果。當暗天體在背景恒星前經(jīng)過時，會讓恒星的星光暫時增強，于是這顆恒星會看上去顯得更明亮一些。根據(jù)這個現(xiàn)象，科學家們對距離銀河星系較近的衛(wèi)星星系，可以用肉眼看到的大麥哲倫星系與小麥哲倫星系中的恒星連續(xù)進行了幾年的細致觀測。
麥哲倫星系中的恒星發(fā)出的星光到達地球，要穿過銀河系，銀河系中的暗天體就會因為微引力透鏡效應使得麥哲倫星云中恒星的亮度產(chǎn)生可以觀測到的變化。但是，幾年的觀測結(jié)果顯示，銀河系中沒有那么多的暗天體。
圖15 歐美科學藝術家設想的黑洞圖畫，黑洞質(zhì)量相當于太陽質(zhì)量的幾倍到幾十億倍，甚至更多倍，是一類質(zhì)量跨度極大的天體。
由于黑洞級別的天體的引力透鏡效果較為明顯，按照我們現(xiàn)在的觀測技術或觀測水平，我們能通過引力透鏡效應觀測到被觀測區(qū)域幾乎所有可能隱藏的黑洞。因此，這些觀測結(jié)果足以排除10倍太陽質(zhì)量以上的暗天體是暗物質(zhì)的主要成分的可能性。
通過微引力透鏡效應，應該還沒有達到可以觀測到行星級別的天體的水平，這畢竟需要更靈敏地觀測技術，暫時我們似乎還沒有達到這個水平。太陽系之外的行星的發(fā)現(xiàn)也是近幾十年的事情，都是通過行星軌道運行過程中，可以遮擋所在恒星系（太陽系）的恒星而產(chǎn)生恒星亮度的周期性變化，推測出行星的存在以及體積或質(zhì)量或軌道半徑的。似乎還沒有通過微引力透鏡方法推測出行星的或推測出行星級別的流浪天體的，也許未來可以這樣做。不要說行星級別了，就是比行星質(zhì)量高出一個數(shù)量級的褐矮星，也是通過紅外光線波段望遠鏡觀測到的，不是通過微引力透鏡方法獲得的?？梢?，微引力透鏡效應確實是重要的天文觀測方法，還有很大的發(fā)展空間。
科學家們一系列這樣的努力探索行為，雖然結(jié)果不理想，但成績還是有的。確實發(fā)現(xiàn)了一些暗天體，并且數(shù)量很壯觀，雖然遠沒有預期多。這確實可以解決一部分暗物質(zhì)問題，比如，甚至可以解決20%的暗物質(zhì)問題。如果數(shù)據(jù)沒有問題的話，確實成績不小。這20%的暗物質(zhì)比例，幾乎相當于普通的可見物質(zhì)總量了。其實，這是多么好的思路，只要認真觀測，提高測量精度，確實可以進一步發(fā)現(xiàn)更多天體，也許真的可以從根本上解決暗物質(zhì)問題。不過，科學家是耐不住性子的。八仙過海、各顯神通，從多種角度提出了各式各樣地解決暗物質(zhì)的設想或方案，特別是那些理論物理學家們。
我總感覺暗物質(zhì)是在打理論物理學家的臉，但理論物理學家們是從不介意的，并饒有興趣地貢獻自己奔放的大腦，天馬行空設想層出不窮，打臉的事情變成了理論物理學家的盛宴。
粒子物理學家們產(chǎn)生了的極大興趣，提出了暗物質(zhì)的諸多猜想體系，其中的一個猜想叫做弱相互作用大質(zhì)量粒子，簡稱為 WIMP。他們猜想暗物質(zhì)是充滿宇宙空間的一種微觀粒子，這種粒子質(zhì)量很大，但是卻沒有電磁效應或作用。到目前為止，盡管科學家們使用粒子加速器、地下暗物質(zhì)探測器和專門設計的暗物質(zhì)探測衛(wèi)星搜索了幾十年，但仍然沒有找到它們存在的證據(jù)。
另一部分理論物理學家為了解決星系的環(huán)繞速度問題，修改了引力理論。修改后的理論雖然可以解決星系或星系群的引力問題，但是更大范圍卻力不從心了。這顯示，這個路子也是失敗了。
當然，還有各式各樣的暗物質(zhì)理論，幾乎都付諸行動了，比如，各種靈敏試驗或精細觀測。結(jié)果，都是在接近成功時，或認為將要成功時，或認為大概率會成功時，失敗了。
其實，真正部分解決暗物質(zhì)問題的就是前面介紹的暗天體的尋找。這種枯燥的行為，似乎沒有什么智力含量，引不起理論物理學家的興趣。人們在這里似乎沒有更多的努力，這也許是暗物質(zhì)問題裹足不前的原因。
圖16 斯皮策太空望遠鏡效果圖，這是一個超期服役的紅外線太空望遠鏡，將要退役?？梢园l(fā)現(xiàn)褐矮星這樣的暗淡天體。
圖17 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡效果圖，背景有些夸張，不符合實際情況?？梢越犹嫠蛊げ叩募t外線觀測任務，功能更為強大。
接替哈勃，已經(jīng)進入太空的大口徑韋伯望遠鏡，不僅可以看得更遠，應該還可以看得更細。隨著韋伯的使用，也許真的可以終結(jié)暗物質(zhì)的困惑問題，其大概率會順著暗天體這個路子解決暗物質(zhì)問題。也許真的會讓理論物理學家失望的，自己想得太多了。
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1.6宇宙大尺度結(jié)構(gòu)也需要暗物質(zhì)的存在
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圖18 ?NASA科學家繪制的宇宙物質(zhì)分布示意圖，宇宙整體物質(zhì)分布均勻，沒有側(cè)重于哪個方向或哪個區(qū)域，但是局部物質(zhì)集中。
宇宙大尺度物質(zhì)分布整體均衡，局部集中的物質(zhì)分布狀況也需要暗物質(zhì)的存在。物質(zhì)局部集聚，整體均衡分布的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成，也顯示無碰撞的低速暗物質(zhì)粒子在引力作用下逐步聚集成團，這一過程能形成我們今天看到的大尺度結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的暗物質(zhì)分布具備普適的質(zhì)量分布。低速運動的暗物質(zhì)有利于大尺度結(jié)構(gòu)的形成，而高速運動的粒子趨向于抹平結(jié)構(gòu)，也就是說高速運動的運動物質(zhì)粒子難以集聚。因此不支持中微子作為主要的暗物質(zhì)粒子候選者。
中微子速度快，幾乎接近光速了，這樣的速度不可能被星系或星系團的萬有引力束縛住。因此，如果宇宙中的暗物質(zhì)以中微子為主的話，其物質(zhì)分布會是格外分散的，也就形不成集聚性了。也就是說，形不成物質(zhì)的局部集中了，天體系統(tǒng)就不容易形成了。暗物質(zhì)對可見物質(zhì)形成天體系統(tǒng)是大有幫助的，比如，大大加速了可見物質(zhì)形成天體系統(tǒng)。沒有暗物質(zhì)的幫助，可見物質(zhì)依然可以形成天體，只是需要耗費更長時間，并且形成的天體系統(tǒng)的規(guī)模也會比現(xiàn)在的小許多。我們的宇宙面貌應該就不是我們現(xiàn)在見到的樣子了?？梢?，暗物質(zhì)對我們現(xiàn)在宇宙面貌的形成，起著很大作用，即起著加速、加大的作用。
現(xiàn)在的情況是我們宇宙需要暗物質(zhì)，并且是低速運動的暗物質(zhì)。沒有暗物質(zhì)或高速運動的暗物質(zhì)對我們可見宇宙的演化影響是微弱的。因此，我們需要低速運動的暗物質(zhì)，而實際情況也基本如此。
低速運動也就是每秒幾百千米左右，往往不超過上千千米每秒。這樣的速度，也是可見物質(zhì)的普遍速度。比如，星系內(nèi)部的恒星環(huán)繞速度往往在上百千米到幾百千米之間，星系之間的相對速度也基本如此。恒星系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)繞速度只是幾十千米每秒。因此，幾百千米每秒的速度幾乎是宇宙內(nèi)部天體的普適速度，也是暗物質(zhì)的普適速度。這樣的速度可以讓暗物質(zhì)在引力作用下匯集起來，集聚成團。
由于暗物質(zhì)之間沒有碰撞，因此，暗物質(zhì)的匯集程度沒有可見物質(zhì)集聚程度大。暗物質(zhì)無法像可見物質(zhì)那樣匯集成質(zhì)量稠密的天體，因為這樣的質(zhì)量稠密的天體都是通過物質(zhì)碰撞來實現(xiàn)的。比如，沒有物質(zhì)碰撞就沒有我們的地球，也不會有我們太陽這樣的天體，自然不會有質(zhì)量更大的黑洞。因此，暗物質(zhì)都是分散在更大的空間內(nèi)，比如分散在星系的中部或外部及邊緣區(qū)域。星系之間的廣袤空間也可以分布暗物質(zhì)，暗物質(zhì)既有集聚性，又相對分散。也就是說，暗物質(zhì)在宇宙中具有一定的集聚性，不是哪里都有的！但又有相對的分散性，在暗物質(zhì)集聚區(qū)域，暗物質(zhì)的空間分布幾乎是均勻分布的。這是與普通物質(zhì)的重要區(qū)別。
比如在銀河系的外部或邊緣區(qū)域，暗物質(zhì)幾乎均勻地分布在這個空間中，其平均分布密度是可見物質(zhì)的幾倍?？梢娢镔|(zhì)雖然平均分布密度小，但是相對尤為集中，形成了一個個物質(zhì)稠密的天體。
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1.7傾向于暗物質(zhì)存在的其他證據(jù)
通過星系團觀測得到的傾向性證據(jù)。星系團的引力質(zhì)量分布可以通過三種不同的手段得到：一是觀測星系團中的星系的運動速度，通過引力理論計算得到。這個我們前面介紹了。二是利用引力透鏡效應，根據(jù)背景光線的彎折程度，推算出星系團中物質(zhì)的分布。前面我們也專門介紹了。
三是觀測星系團產(chǎn)生的X射線。星系團中普遍存在能發(fā)射出X射線的熾熱氣體，當熾熱氣體在星系團引力場中達到流體力學平衡后，可通過其溫度推測出星系團的質(zhì)量分布。
這三種推算星系質(zhì)量的方法都屬于引力質(zhì)量，再加上光度學質(zhì)量，就有四種推算星系質(zhì)量的方法了。當然，光度學質(zhì)量與引力質(zhì)量差異較大，這就是我們本書研究的核心內(nèi)容。
?????熾熱氣體是高速運動的，其中的部分氣體（粒子）可以逃逸出星系團。此時，星系團的質(zhì)量決定著高速運動的熾熱粒子的逃逸情況。星系團質(zhì)量越大，引力作用就越強，束縛能力就越強大，逃逸掉的高速運動粒子就越少。結(jié)果是，星系團中的熾熱氣體的溫度就越高。也就是說，星系團質(zhì)量最終決定了星系團中熾熱氣體的溫度，反之，根據(jù)星系團中熾熱氣體的溫度就可以知道星系團的質(zhì)量。能發(fā)出X射線的熾熱氣體，早已經(jīng)電離，粒子化了，可以稱為熾熱粒子團。
這三種推算星系團或星系質(zhì)量的方法互不影響，相互佐證，使得星系團觀測成為研究暗物質(zhì)的重要手段。這些觀測一致表明星系團中物質(zhì)的總質(zhì)量遠超出其中可見物質(zhì)的總質(zhì)量。
通過宇宙微波背景輻射數(shù)據(jù)，感受暗物質(zhì)的存在。在宇宙尺度上，通過對宇宙中微波背景輻射各向異性的精細觀測，可以確定出宇宙中暗物質(zhì)的總量。觀測表明宇宙總能量的26.8%由暗物質(zhì)貢獻，構(gòu)成天體和星際氣體的常規(guī)物質(zhì)只占4.9%，其余68.3%為推動宇宙加速膨脹的暗能量。
這個內(nèi)容相對比較玄乎一些，似乎不太好理解。我們不管暗能量概念，我們只討論暗物質(zhì)。宇宙大爆炸之后，在電磁力出現(xiàn)以后，那時的宇宙溫度極高，也就是粒子運動速度極大，電磁作用輻射出的都是伽馬射線，即頻率最強的電磁波。
圖19 來自WMAP衛(wèi)星官網(wǎng)的宇宙演化示意圖，最左邊就是微波背景輻射，橫軸屬于時間軸，時間是由左向右前進。右邊物質(zhì)逐漸演化成星系，物質(zhì)趨向星系化，即星系物質(zhì)占據(jù)宇宙總物質(zhì)的比例隨著時間逐漸增大。
隨著宇宙大爆炸的進行，擴展的宇宙，物質(zhì)分布密度逐漸下降，引力場強度逐漸下降。在引力場中運行的光線的頻率也跟著逐漸下降，這就是光線在引力場中的紅移。此時，大家不要想那么多，不要想黑洞效應。也許那時的宇宙就是一個超級大黑洞，光線在黑洞里面運行應該還是可以的。
宇宙半徑每膨脹一倍，物質(zhì)分布密度就平均下降到之前的八分之一。引力場強度也下降到之前的四分之一，宇宙最初輻射的伽馬射線頻率會有極大幅度下降。也就是伽馬射線引力紅移主要發(fā)生在宇宙初始膨脹的階段。后來，隨著引力場強度的逐漸下降，光線紅移速度也跟著更大幅度下降。也就是光線頻率下降幅度遠超引力場強度下降幅度。
到現(xiàn)在，最初的伽馬射線已經(jīng)紅移成微波輻射了，這就是宇宙微波背景輻射。我們討論宇宙問題的時候，大家不要想那么多，要腦洞大開，只管其一，不管其余，這是討論宇宙問題的捷徑。這似乎也顯示人類知識的悲哀，沒辦法，暫時確實欠佳。
從上面的分析過程中，我們可以看到，宇宙微波背景輻射由宇宙物質(zhì)總量決定。只有達到一定的宇宙物質(zhì)總量，才可以達到我們現(xiàn)在測量的宇宙微波背景輻射頻率。也就是宇宙物質(zhì)總量決定伽馬射線的紅移水平，我們可以通過現(xiàn)在測量的宇宙微波背景輻射頻率，反推宇宙的物質(zhì)總量。結(jié)果是，依然需要大量暗物質(zhì)的存在，這自然讓宇宙微波背景輻射成為傾向于暗物質(zhì)存在的證據(jù)之一。
圖20 來自WMAP衛(wèi)星官網(wǎng)的宇宙演化示意圖
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