沒有最黑，只有更黑，暗物質是如何被發現的？

昨天我在文章《比太陽還亮的黑洞，解決未來能源危機，全靠它 》一文中提到：只有幾個太陽質量大小的黑洞的溫度為十億分之一開，但如果您以為，這已經是宇宙中黑暗極限的話，那么就大錯特錯了，宇宙中還有比這更黑的物質——暗物質，至今我們也不知道它們具體是什么。

相信小伙伴們一定會產生這樣的疑問：既然不知道暗物質究竟是什么，那又怎么確定它們的存在呢？天文學家們是哪里來的自信，如此確信它們是存在的呢？這就必須要提到物理學在天文學中的應用了，因為天文發現并不是依靠觀測，而是計算。

天狼星

首先我們要提一下天狼星，這是夜空中最亮的恒星，在春節前后的夜里22時，它出現在北半球南天下部，緯度越高，則越靠近地平線。

1844年，德國天文學家弗里德里希?貝塞爾指出，天狼星自身運動的異常是因為有一顆我們看不到的伴侶星體的存在。18年后，隨著天文望遠鏡制造水平的提高，天文學家們發現在天狼星附近有一顆白矮星。

天王星

另一個我們要提到的經典天文發現故事是關于天王星的。它是第一顆使用望遠鏡發現的行星。1781年3月13日，英國天文學家威廉·赫歇爾在自宅庭院中，利用自己設計的望遠鏡發現了這顆行星。我也曾在自己的102毫米口徑的折射望遠鏡中，窺視到它淡藍色的影子。

海王星

1846年，天文學家奧本?勒維耶和約翰?亞當斯發現天王星的軌道運動有些異常，似乎違背了牛頓萬有引力定律，他們認為，這應該是由一顆我們還不知道的行星引起的。天文學家約翰?加勒根據勒維耶的計算結果，在只比計算出的位置低1°的地方發現了一顆行星，這就是后來被命名的海王星。

我之所以要先提到這兩個例子是想說明：正是因為對它們的觀測和研究，增強了天文學家對物理學在天文學中應用的強烈自信——我們在地球上發現的物理定律，同樣適用于廣袤無垠的太空。天文學家是這么想的，也是這么干的。

有人把目光放到宇宙的深處，同樣也有人希望搞清楚我們所在的太陽系。荷蘭天文學家揚?奧爾特就是如此，他希望弄清楚太陽所受到的銀河系的引力影響。如果把這個問題，拋給現在正在讀高中的理科生，他們會想出什么辦法呢？

只要學過牛頓力學的人一定會想到，可以通過研究太陽附近恒星的運動來回答這個問題，很簡單，因為F（引力）=mV^2/R=mω^2R。這個思路的前半部分是正確的，但后半部分有瑕疵。因為對于一個星系來說，直接觀察旋轉速度很難，但是觀測恒星相對于圓盤面的垂直振蕩比較容易。

銀河

想象一下位于我們頭頂，橫跨南北的銀河系，系內恒星的垂直盤面振動會更敏感，質量產生的引力會成為恒星在自身位置上振蕩的回復力，效果就跟彈簧差不多。而在盤面方向的旋轉，由于引力與離心力平衡，則運動變化不容易被發現。

1932年，奧爾特通過對觀測結果進行計算發現：要解釋這些恒星的運動，普通物質僅僅占了所需物質數量的一半。

1933年，瑞士裔美國天文學家弗里茨?茲威基對后發座星系團中速度的分布做了研究，他發現，要想解釋清楚測量得到的速度，其所需要的產生引力的質量是星系團質量的10倍。由此，“質量缺失”的迷霧在天文學中產生，并且在此后50年內毫無進展。

隨著時間的前進，天體測量衛星依巴谷測量了12萬顆恒星的數據，而2013年12月發射的蓋亞天體測量衛星則測量了接近10億顆恒星的數據。測量表明“質量缺失”普遍存在于星系和星系團的范圍之內，甚至包括整個宇宙也是如此。

前面介紹的這種測量方法可以稱作是直接觀測，因為它不依賴恒星發出光線的波長。另一種方法是依據光譜學的辦法來研究類似銀河系這樣螺旋星系的旋轉。這種辦法就是依據觀測到的圓盤上恒星光線的多普勒頻移，依靠恒星與旋轉中心的距離算出圓盤的轉速。進一步就可以推算出整個圓盤的引力場及其質量分布。

接下來要做的就是將這個結果與恒星亮度的限定值進行比對，隨著與星系中心距離的增加，這個亮度依照指數曲線減小，大部分質量應該位于靠近中心的區域。如果這個假設正確，那么旋轉速度在遠離星系中心時會先增長，然后在距離更遠的時候，速度迅速下降。

但這個計算結果與觀測事實明顯不符：星系圓盤的旋轉速度在遠離中心時會先增長，之后速度并沒有降低，而是基本保持恒定。這意味著，有大量的質量分布于低光或不相關的區域內，甚至是星系圓盤之外。

通過直接測量得到的星系旋轉曲線與通過從發光物質分布推導出的旋轉曲線不同。天文學家對數以千計的星系系統的研究表明，這種觀測和計算上的不同是普遍存在的。這一發現就是暗物質假說的起源。

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