關(guān)于宇宙，我們還有許多不知道的事情。這其中就有一項(xiàng)讓科學(xué)家們非常頭疼：一種神秘的物質(zhì)——暗物質(zhì)。盡管科學(xué)家們提出了各種各樣的理論，我們?nèi)匀徊磺宄滴镔|(zhì)的本質(zhì)是什么。我們甚至都不知道它到底是不是真的存在！研究暗物質(zhì)最大的挑戰(zhàn)就是——我們看不見它。在這篇文章中，我們將介紹科學(xué)家們?nèi)绾芜\(yùn)用科學(xué)知識(shí)和望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)暗物質(zhì)的存在，以及為什么科學(xué)家們認(rèn)為暗物質(zhì)可能充斥著整個(gè)宇宙。
暗物質(zhì)是什么？是真實(shí)存在的嗎？
當(dāng)我們眺望明凈的夜空時(shí)，我們看到數(shù)不清的星星。這些明亮的星體既有銀河系中的恒星，也有離我們十萬八千里的遙遠(yuǎn)星系。這些天體組成了宇宙中所有的發(fā)光物質(zhì)。通過各種天文望遠(yuǎn)鏡，我們可以觀察到這些天體發(fā)出的光線。某些望遠(yuǎn)鏡能夠觀測(cè)到數(shù)百萬光年那么遠(yuǎn)的光線，這其中就有赫赫有名的哈勃望遠(yuǎn)鏡，它可以捕捉到134億光年外的信號(hào)[1]！
所有天文望遠(yuǎn)鏡都可以觀測(cè)由天體發(fā)出的電磁波譜。科學(xué)家們利用波譜中的不同波長來得到天體的關(guān)鍵信息，比如距離、年齡、大小、形狀等等。某些波譜信息還可以用來解讀我們宇宙的物理規(guī)律。但是，如果宇宙中有某些物質(zhì)不會(huì)發(fā)光、或者其發(fā)出的光線不在已知的電磁波譜范圍里，那么天文望遠(yuǎn)鏡就無能為力了。因?yàn)檫@種奇怪的物質(zhì)不發(fā)光，所以科學(xué)家們稱之為“暗物質(zhì)”。
電磁波譜：從可見光到伽瑪射線、X光等，所有種類的光都是電磁波，而所有種類的電磁波頻率組成了完整的頻率范圍，這個(gè)范圍為電磁波譜。
波長：每一種光線（電磁波）的波振動(dòng)中，相鄰兩個(gè)波峰間的距離。波長一般用納米（nm）表示，人類可見光的范圍高于 400 nm（紫外光）、低于 700 nm（紅外光）。
一些科學(xué)家，尤其是天體物理學(xué)家，花費(fèi)了大量的心血來提出暗物質(zhì)組成的理論。雖然暗物質(zhì)不發(fā)光（任何波長的光?。?，但它們可以被萬有引力所影響。雖然天體物理學(xué)家還不能解釋暗物質(zhì)是什么，但至少現(xiàn)在他們可以肯定暗物質(zhì)不是什么。
首先，暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙約 80% 的質(zhì)量[2]，也就是說暗物質(zhì)幾乎是所有常規(guī)物質(zhì)質(zhì)量總和的四倍！除此以外，科學(xué)家們還找到了更多不可思議的事情——
暗物質(zhì)影響星系中天體的運(yùn)動(dòng)
我們剛剛說過，引力可以影響暗物質(zhì)，而暗物質(zhì)的質(zhì)量也可以影響其它天體的運(yùn)動(dòng)。
什么是引力？在地球上，蘋果會(huì)落到地面上。在太陽系中，太陽的質(zhì)量占比最大，其它行星都圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)：水星和金星離得近，繞太陽的速度也最快；離太陽越遠(yuǎn)的行星（如天王星、海王星），繞太陽的速度也越慢。根據(jù)萬有引力定律，離開太陽越遠(yuǎn)，其引力也越低，為了避免轉(zhuǎn)遠(yuǎn)或轉(zhuǎn)近，行星必須移動(dòng)得更慢才行。
對(duì)于不同星系，也可以這么考慮：假設(shè)星系中更亮的部分（比如恒星）占據(jù)了絕大多數(shù)的質(zhì)量，那么這絕大多數(shù)的質(zhì)量幾乎都在靠近中心的位置，而在星系邊緣暗淡的地方則不應(yīng)該有很多質(zhì)量。這樣，每個(gè)星系中離中心更近的物體會(huì)比離中心更遠(yuǎn)的物體轉(zhuǎn)的更快，就像我們太陽系一樣。
如何驗(yàn)證這樣的假設(shè)呢？科學(xué)家們測(cè)量了一個(gè)遙遠(yuǎn)的自旋星系（就像我們所在的銀河系），繪制出了不同天體的速度和它們到星系中央的距離。但是，結(jié)果卻不像科學(xué)家們想的那樣——離星系較遠(yuǎn)的一些天體的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于理論預(yù)測(cè)的結(jié)果（圖1）。從引力的角度，這只能說明星系邊緣的質(zhì)量要高于星系中央的質(zhì)量，而這種質(zhì)量是我們無法通過電磁波譜觀察到的（因?yàn)樗鼈儾话l(fā)光），因而可能存在著暗物質(zhì)影響著這些天體。
暗物質(zhì)干擾了星系質(zhì)量的計(jì)算
暗物質(zhì)存在的證據(jù)并不是近幾十年才發(fā)現(xiàn)的。回到1933年，一名瑞士天文學(xué)家 Fritz Zwicky 最早發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的存在。他研究了 Coma 星團(tuán)里上千顆恒星發(fā)出的光（圖2），并用兩種方法測(cè)量了它的質(zhì)量：一種是通過運(yùn)動(dòng)速度，這可以通過發(fā)光的偏移來計(jì)算；另一種通過發(fā)光亮度來計(jì)算。然而，通過速度計(jì)算得到的星團(tuán)質(zhì)量卻要比亮度計(jì)算結(jié)果高出數(shù)百倍！
由于這些多出來的物質(zhì)沒有發(fā)光，F(xiàn)ritz 認(rèn)為，“如果這能被證實(shí)的話，我們將得到非常驚訝的結(jié)果：暗物質(zhì)的存在量比發(fā)光物質(zhì)大得多”[3]。而不久之后，Virgo 星團(tuán)的數(shù)據(jù)也獲得了類似的結(jié)果。但是，由于當(dāng)時(shí)的測(cè)量技術(shù)不如現(xiàn)代的技術(shù)精確，這種“宇宙被某種未知暗物質(zhì)所支配”的爭議性想法直到近 50 年后才被科學(xué)家們所接受。
暗物質(zhì)能夠彎轉(zhuǎn)光線
暗物質(zhì)存在的第三個(gè)證據(jù)來自對(duì) Bullet 星團(tuán)的研究（Bullet 得名于兩個(gè)星系發(fā)生了碰撞），天文學(xué)家使用了一種新的測(cè)量天體和星系質(zhì)量的方法——引力透鏡[4]。上文說過，引力可以影響周圍物體的運(yùn)動(dòng)；實(shí)際上，任何物質(zhì)的質(zhì)量都會(huì)影響其周圍空間的密度，當(dāng)光線穿過這個(gè)高密度的空間時(shí)，光線會(huì)發(fā)生彎折。
有點(diǎn)難以理解？那讓我們來想象一張拉直的床單，床單四周固定、中間平展地?cái)傞_。假設(shè)這張床單代表一個(gè)空間。這時(shí)候，我們?cè)诖矄紊戏乓粋€(gè)球——自然而然地，你會(huì)想到，床單會(huì)被這個(gè)球拉伸，形成一個(gè)下凹的窩。質(zhì)量就像這樣的一個(gè)球：當(dāng)空間（平展的床單）中存在一個(gè)物質(zhì)（球）時(shí)，其質(zhì)量會(huì)拉伸周圍的空間和時(shí)間；當(dāng)光線在通過這樣拉伸的空間時(shí)，它將不再沿直線傳播，而是會(huì)沿著彎曲的表面前進(jìn)（就像彎曲的床單一樣?。?。物體的質(zhì)量越大，空間就越是拉伸，光線也彎曲得越顯著。那么，我們是不是可以通過觀察天體周圍光線的彎曲程度，來計(jì)算天體的質(zhì)量？引力透鏡就是通過這樣的原理來測(cè)量天體和星系的質(zhì)量。
引力透鏡：遙遠(yuǎn)星系產(chǎn)生的光線在與大質(zhì)量物質(zhì)的引力場相互作用時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲和扭曲。今天的副推用視頻角度解釋了引力透鏡的概念。
通過引力透鏡，科學(xué)家們確定了 Bullet 星團(tuán)的總質(zhì)量，包括其包含的暗物質(zhì)[5]。圖 3 展示了 Bullet 星團(tuán)的大部分質(zhì)量并不分布在 X 光的來源處——這意味著這些質(zhì)量我們看不到。因此，這個(gè)星團(tuán)更多由暗物質(zhì)而不是常規(guī)物質(zhì)所組成。
暗物質(zhì)可能是什么？
科學(xué)家們已經(jīng)提出了各種理論，試圖去闡明暗物質(zhì)的組成。有的科學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)就是常規(guī)物質(zhì)，只是它被難以檢測(cè)的其它物質(zhì)所干擾，比如較大的行星或者黑洞。然而，這一種假說與許多科學(xué)觀察不符。
到目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)確定了暗物質(zhì)的至少一種組分：中微子。中微子是一種不發(fā)光的微粒，不過它只能占據(jù)暗物質(zhì)的一部分，因?yàn)樗鼈兲p，而且在宇宙剛剛形成的時(shí)候，它們的運(yùn)動(dòng)速度太快了。這樣一來，也許有別的粒子亟待發(fā)現(xiàn)，而其中兩種最有可能組成暗物質(zhì)的粒子包括 大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP） 和 軸子（axion）。這兩種粒子目前還僅存在于理論中，而尋找它們的實(shí)驗(yàn)也正在進(jìn)行中。
中微子：一種小于原子的粒子，它們不帶電荷。中微子是暗物質(zhì)的組成成分之一。
總結(jié)
暗物質(zhì)組成了宇宙中63%的物質(zhì)。如果我們能解釋暗物質(zhì)的組成，我們就能對(duì)宇宙的起源和形成有更多的認(rèn)識(shí)。全世界各地，包括位于瑞士的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，正在開展各種各樣的實(shí)驗(yàn)，來研究暗物質(zhì)組成的微粒的各種性質(zhì)。讓我們期待天文物理學(xué)和粒子物理學(xué)的更多發(fā)現(xiàn)！
更多信息
原文：Bhathe V, Brennan C, Ellis S, Moynes E, Graham K and Landsman S (2021) How Do Scientists Know Dark Matter Exists?. Front. Young Minds. 9:576034. doi: 10.3389/frym.2021.576034
作者：Vishnu Prithiv Bhathe，加拿大 Carleton 大學(xué)理學(xué)學(xué)士，對(duì)科學(xué)以及如何利用科學(xué)經(jīng)驗(yàn)來改造世界感到好奇；Christina Brennan，Carleton 大學(xué)本科生，主修跨學(xué)科科學(xué)，特別感興趣于科學(xué)傳播事業(yè)；Stephanie Ellis，Carleton 大學(xué)跨學(xué)科科學(xué)與實(shí)踐項(xiàng)目本科生。對(duì)參與社區(qū)活動(dòng)和了解不同系統(tǒng)的工作原理充滿熱情；Emily Moynes，Carleton 大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)的五年級(jí)學(xué)生，曾在 Steven Cooke 博士的指導(dǎo)下完成與魚類有關(guān)的項(xiàng)目的實(shí)習(xí)，并在 美國漁業(yè)協(xié)會(huì)交易（TAFS）發(fā)表了一篇文章；Kevin Graham，Carleton 大學(xué)粒子物理學(xué)教授，也是歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的 ATLAS 實(shí)驗(yàn)的成員，正與一個(gè)國際科學(xué)家小組合作，尋找 ATLAS 實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)暗物質(zhì)的證據(jù)；Sean J. Landsman，Carleton 大學(xué)跨學(xué)科科學(xué)與實(shí)踐項(xiàng)目的教學(xué)教授，是一位訓(xùn)練有素的漁業(yè)生態(tài)學(xué)家，研究魚類如何移動(dòng)其環(huán)境以及人類活動(dòng)如何影響它們。
翻譯：小魚
參考資料
[1] Garner, R. 2015. About the Hubble Space Telescope. Retrieved from: https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/story/index.html
[2] Ibarra, A. 2015. Dark matter theory. Nucl. Part Phys. Proc. 267–269:323–31. doi: 10.1016/j.nuclphysbps.2015.10.126
[3] Bertone, G. and Hooper, D. 2018. History of dark matter. Rev. Mod. Phys. 90:045002. doi: 10.1103/revmodphys.90.045002
[4] Wambsganss, J. 1998. Gravitational lensing in astronomy. Living Rev. Relativ. 1:12. doi: 10.12942/lrr-1998-12
[5] Clowe, D., Brada?, M., Gonzalex, A. H., Markevitch, M., Randall, S. W., and Jones, C., et al 2006. A direct empirical proof of the existence of dark matter. Astrophys. J. Lett. 648:L109–13. doi: 10.1086/508162
