宇宙“幽靈”

陳若穎

消失的質量

早在大約100年前，科學家們就在思考上面的那個問題。1932年，愛因斯坦和荷蘭的天體物理學家威廉·德西特共同發表了一篇論文。在這篇論文中，他們推斷宇宙中可能存在大量“看不見的物質”。愛因斯坦通過計算發現，宇宙在大爆炸后，經過不斷的演變，今天終于能夠趨于穩定，是因為物質的平均密度至少達到了5×10^-30克/立方厘米，而這個數字比我們實際觀測到的宇宙物質平均密度整整高了100倍！據此，兩位科學家認為，宇宙中應該不僅只有我們能夠觀測到的那一部分物質，還有更多的物質是我們無法看到的。無獨有偶，一年后，瑞士天文學家茲威基在推算后發座星系團質量時，使用兩種方法算出的星系團質量竟然相差160倍！由此，他也認為這代表著星系團中存在著大量我們未觀測到的物質，并且在自己的論文中把這種物質命名為“暗物質”。

然而，這些在計算中“消失”的質量并未引起科學界的關注。直到五十年后，另一個更轟動的證據的出現，才讓人們真正認識到：宇宙中有大量的物質“不見了”。

所謂“看不見的物質”就是不會發出電磁輻射的物質。

尋找天體背后的神秘“推手”

我們都知道，引力與距離有關。所以在太陽系中，距離太陽越遠的天體受到的引力越小，繞太陽公轉的速度也就越慢。比如在太陽系八大行星中，距離太陽最近的水星平均公轉速度大約是47千米/秒，而距離太陽最遠的海王星平均公轉速度卻只有約5千米/秒。根據這一現象，人們推斷星系中的恒星應該也遵循著同樣的定律：距離星系核越遠的恒星，圍繞星系核運轉的速度就越慢。20世紀70年代，美國天文學家薇拉·魯賓在觀測仙女座大星系中的恒星旋轉速度時發現，在旋渦星系中恒星的公轉速度竟然不隨距離的增加而減小，而是幾乎保持不變。是什么使星系中的恒星在遠離星系核的地方也能保持旋轉速度呢？薇拉·魯賓認為應該就是星系中存在的大量不可見的物質為恒星的高速旋轉提供了足夠的引力。雖然陰差陽錯，讓大家真正意識到暗物質存在的薇拉·魯賓并未獲得諾貝爾獎，但是她卻豁達地表示：“名氣只是轉瞬即逝的流星，我的數據比我的名字擁有更多意義。如果天文學家今后還在用我的數據，這就是對我最大的恭維了。”

薇拉·魯賓

盡管薇拉·魯賓的觀測足以證明，我們的宇宙中存在某種神秘的暗物質，它能夠參與星系的構成，為恒星提供足夠的引力。可它究竟是什么？又有什么特性？我們要怎樣才能觀測到這種“看不見的物質”？科學家們遇到了難題。

旋轉星系中恒星的旋轉速度

后來，科學家們想到了一個間接觀測的方法——引力透鏡法。薇拉·魯賓的觀測除了證明宇宙中存在大量的暗物質外，還告訴我們另一個信息：雖然暗物質基本不發出任何電磁輻射，也基本不和普通物質發生相互作用，但它卻能和普通物質一樣參與引力作用。也就是說，我們雖然不能直接觀測到暗物質，卻可以通過觀測暗物質對普通物質產生的引力影響，間接地觀測它。這就好比我們看不到風，卻可以通過被風吹動的旗幟來觀測風向。

引力透鏡原理示意圖

那么科學家們如何觀測宇宙中的暗物質對普通物質的影響呢？這就要說到“引力透鏡法”了。偉大的科學家愛因斯坦告訴我們：物質可以使時空彎曲，并且物質的質量越大，時空彎曲的程度就越大。時空彎曲了，在時空中穿梭的光線反應當然最明顯，本應直線行走的光線發生了偏折，于是人們將彎曲的時空比喻為日常生活中同樣能使光線偏折的“透鏡”，并將這種時空彎曲使光線偏折的現象稱為“引力透鏡效應”。

講到這里，引力透鏡法是否已經呼之欲出？沒錯，其實我們只要觀測到天體發出的光線在通過一個看似虛空的區域時發生了偏折，那我們就可以猜測這個區域中有暗物質存在。不僅如此，我們還可以通過觀測光線的彎曲程度，間接地推斷這個區域暗物質的質量大小。

2007年，科學家們在觀測室女座星系群時，偶然發現了一個十分奇怪的區域。這個名叫VIRGOHI 21的區域看似一片虛空，卻對周圍的星系有很強的引力作用。后來，科學家們通過精確測量這一區域中的物質質量分布，驚訝地發現：VIRGOHI 21的質量雖然和普通星系類似（約為太陽的1000億倍），但卻是一個完全由暗物質構成的暗星系，其中不存在任何恒星或行星，也沒有任何可以構成可見天體的普通物質。

VIRGOHI 21

探測暗物質方法多

除了引力透鏡法以外，人們也找到越來越多的方法來探測暗物質。

1.地下探測。科學家們嘗試在地下數千米深的地方建地下實驗室，通過巖石隔絕宇宙中的噪聲，以期能夠直接接收暗物質打在接收屏上的微弱信號。現在，全世界已經建成十幾個這樣的實驗室，在我國四川錦屏山下就有一個目前世界上最深、宇宙噪聲最小的地下實驗室。不過，人類依靠地下實驗室探測暗物質已有近30年的時間，但一直沒有探測到令人信服的暗物質信號。

2.衛星探測。雖然暗物質并不會和普通物質相互作用，但它們卻會相互碰撞而湮滅，產生我們熟悉的電子、質子、光子等普通物質。如果衛星能夠探測到比預期強度更高的宇宙信號，那這個信號就很有可能源于暗物質粒子的湮滅。2015年，我國發射的人類第一顆暗物質粒子探測衛星——悟空號，就是利用這一間接方法來探測暗物質信號的。

悟空號暗物質粒子探測衛星

雖然說科學家們已經通過種種手段，判斷出宇宙中存在大量暗物質，但從發現至今，我們對暗物質仍然知之甚少。迄今為止，我們只能勾勒出暗物質的簡單輪廓：它的質量大概占宇宙總質量的四分之一;它應該是一種全新的、不同于我們認知的任何一種普通物質的粒子;它有一定的質量，并且能夠參與引力作用;它是高度穩定的，幾乎不與普通物質發生反應，也幾乎不會發出、反射或者輻射任何電磁波;它的運動速度應該遠低于光速，這樣才能讓宇宙保持穩定，形成如今的宇宙結構。

宇宙質能分布餅狀示意圖

總結完暗物質的特征，你是不是也發現，暗物質就像宇宙中披著隱身衣的幽靈，我們無法直接觀測到它，只能通過它對普通物質產生的影響來研究它。為了探測這個宇宙“幽靈”，科學家們付出了很多努力。雖說現在并不能確認暗物質究竟是什么，但通過對它的研究，科學家們可以更加了解宇宙的結構與本質。未來，相信暗物質還會為我們講述更多宇宙故事。