宇宙星系有什么特征（当今宇宙学的未解之谜）

【作者：黄姤】

研究宇宙学，利用大爆炸理论分析宇宙的演化，需要有坚实的观测技术，这个技术今天已经非常精确地建立起来了，它包括「宇宙微波背景辐射」、「宇宙膨胀」以及宇宙里面比较轻的「元素的丰度」。这是对大爆炸理论三个最重要的观测支持，在这个基础上面可以从理论上进一步探讨宇宙未来究竟会向什么方向变化，这里有一个前提是必须对宇宙做一个详尽的完整检查，必须知道宇宙含有有多少的物质，多少的能量。2015年中国发射了 「暗物质粒子探测卫星」，这个卫星在分辨率、在探测极限指标上都达到了国际领先的水平，它的目的是为了探测宇宙中的「暗物质粒子」所发出来的信号。

图解：暗物质粒子探测卫星·「悟空号」

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当今宇宙学最大的未解之谜

要了解宇宙未来会变成什么样，就必须先要知道宇宙包含多少的物质和多少的能量，而对于这些问题的研究先从「仙女座星系」开始。「仙女座星系」和「银河系」一起处在一个称为「本星系群」的星系集团里面，「仙女座星系」是在转动的，星系的转动可以帮助我们去了解在星系里面包含了多少的物质。

图解：「仙女座星系」

1970年女天文学家「鲁宾」开始对仙女座星系进行观测，鲁宾与她的一位光谱学同事「福特」一起合作来观测星系的转动，如果望远镜的性能足够好不仅可以测量星系整体离我们远去或者靠近的速度，还可以把星系里面不同区域半径的速度测出来，测出这个速度之后就可以知道，在距离星系核心不同半径的区域物质是怎么绕着中心转动的，这里采用的方法就是谱线的位移，如果星系的转动是向我们靠近的，那么这个区域产生的谱线就会发生「蓝移」，如果是背离我们远去的就会发生「红移」。

图解：仙女座星系谱线的「蓝移」与「红移」

利用谱线位移的办法鲁宾得到了仙女座星系的「转动曲线」，这个转动曲线就是随着星系半径的变化，它的转动速度是如何发生变化的，鲁宾发现即使是在半径达到几万光年的时候，仙女座星系里面物质转动的速度也达到、甚至超过200千米每秒，这是一个非常高的速度，太阳系绕着银河系中心的转动速度也达到了200千米每秒。

图解：仙女座星系的「转动曲线」

仙女座星系转动曲线与太阳系里面行星运动的转动曲线作比较，它们之间的差别是非常大的，太阳系里面行星的转动曲线遵循的是「开普勒定律」，因为决定行星运动的主要是来自于太阳的引力，所以随着半径的增加轨道运动的速度在下降，但是仙女座星系的速度在很大的半径区域保持平坦。如果仙女座星系所有的引力都是由星系里的恒星所提供的，那么在不同半径的区域，仙女座星系里面的物质转动速度应该遵循恒星的分布距离所产生的引力，因此导致仙女座星系与银河系的转动曲线产生巨大的差别，所以要解释观察到的星系的转动实现，就必须要有额外的引力，而这个额外的引力是来自于我们看不见的物质，并且提供的引力超过星系盘里面恒星的引力，否则在那么快的转动速度下，星系就应该分崩离析了根本不可能保持一个完整的形态。

图解：银河系与仙女座星系「转动曲线」对比

• 举例说明：

就像我们去甩一块用绳子绑住的石块，如果石块转动得越快，那么束缚石块的绳子所施加的力就会越大，如果说石块转动得太快了，你都握不住了，石块最终就会飞出去，对于星系来讲也是一样的道理。

假如仙女座星系的转动速度是由星系里面所有的恒星和气体提供引力的，那么仙女座星系就会分崩离析，只有把仙女座星系转动速度假想为由「暗物质引力」提供转动速度，才能与现实观测的结果相吻合，这个就是暗物质来源的一个非常重要的观测证据

图解：右图：蓝色线是恒星和气体提供引力的结果，虚线是「暗物质引力」提供引力的结果

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研究「暗物质」的先驱者

「暗物质」这个概念并不是鲁宾提出来的，在她之前就有人探讨过这个问题：

• 1922年「开普坦」在研究银河系结构的时候就发现，银河系里面恒星运动具有很高的速度。
• 1932年「奥尔特」的研究结果和「开普坦」的结论类似。
• 1933年「兹威基」在研究「后发星系团」的时候发现这个星系团里面的星系运动速度异乎寻常的高，如果光靠星系团里面所有星系根本束缚不住它们，所以肯定有一些额外的物质来提供引力，使得这个星系团保持被束缚的状态。
• 1939年「巴布科克」也得到了一些类似「兹威基」的研究结果，只不过这些结果虽然发表了但是并没有引起大家的关注，因为当时人们认为暗物质似乎只是一个想象的、不可靠的一个观念。

图解：后发星系团

即使是鲁宾在1970年发表了她的工作之后，天文学对她的反响几乎是沉默，因为没什么人真正意义上去思考这个问题，但是鲁宾并没有气馁，所以在接下来的十年里面不断地对其他星系进行观测，她一共测量了几百个星系的转动曲线，在1980年的时候她测量了21个漩涡星系的转动曲线，她发现这21个漩涡星系的转动曲线和仙女座星系的转动曲线具有非常相似的特征，她认为这些星系应该都具有暗物质的成分，这就提供了暗物质存在的有力证据。

自鲁宾发表了21个漩涡星系的转动曲线的研究成果后，天文学学界的研究者开始重视暗物质的存在了，于是对不同层次的天体进行了各种观测，都发现了暗物质可能存在的线索。

• 举例说明：

「子弹星系团」实际上是两个星系发生碰撞的结果，也就是一个红色的小星系穿过了一个蓝色的大星系，红色的辐射区域反映的主要是可见的物质，蓝色的部分反映的是通过引力透镜反推出来的暗物质的分布，这就是可见物质跟暗物质的分布景象，这是另外一个证明暗物质存在的证据，因为当星系发生碰撞的时候，正常的物质比如气体会因为黏滞或者摩擦的作用，它们不会扩散到非常大的空间，但是暗物质的粒子因为跟正常物质没有相互作用，所以它们的碰撞会导致它在更大的空间里面分布,在这个基础上人们得到了不同类型信息的质量和光度之比。

图解：「子弹星系团」

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暗物质的特点

暗物质往往有一个误解，以为暗物质是黑暗的物质，其实不是这么一回事，我们通常讲的黑暗往往是指一团物质，它会吸收光或者说它会遮挡光。但是暗物质实际上是透明的，因为它和光不发生任何的相互作用，暗物质其实就分布在我们周围的空间里面，但是我们丝毫看不到它们，也感受不到它们，只不过它支配着星系的形成和结构。

暗物质的另外一个特点是它只有引力相互作用，所以往往借助于引力的效应去把它们的真面目揭示出来，通过引力透镜现象能够反演出星系里面暗物质的分布。

图解：星系里面暗物质的分布

暗物质到底是什么？

在历史上有很多人对暗物质作出猜测以及各种的理论模型，在今天有一种可能性被大家更加地看好，这个可能性的英文名字叫做「Wimp」，它实际上是一种大质量的微观粒子，它的性质到底是什么目前还不是很清楚，只不过它的作用人们已经意识到了。

在宇宙大爆炸之后不久物质分布微小的不均匀性，发展放大之后形成了今天的星系和恒星，而这种不均匀性最早的起源就来自于暗物质分布的不均匀性，所以说暗物质对今天各种尺度结构的形成有着非常重要的作用。

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（黄姤）结语·测量暗物质

目前对暗物质的测量主要有3种方法：

• 第1种：在加速器上通过高能粒子的碰撞来模拟大爆炸产生暗物质的粒子，然后去观测去研究它。
• 第2种：如果是在我们周围的空间里面确实有暗物质存在，或许有一部分的暗物质会和某些原子核发生碰撞，和原子核发生碰撞之后会发射光，可以通过对这些光的测量来研究暗物质的性质，测量这些光要避免其他粒子的干扰，所以这样的实验往往是在地下进行的。
• 第3种：在空间去探测暗物质粒子相互碰撞之后所产生的光子。

通过以上任何一种办法去测量到了暗物质存在的证据，就有可能对暗物质的本质进行限制，但是非常遗憾的是到目前为止还没有得到任何暗物质的踪迹。

探测暗物质的道路还有很长的路要走，鲁宾因为她的杰出贡献获得了非常多的奖项，唯独遗憾的是她没有获得诺贝尔物理学奖，所以有人为她抱不平，但是鲁宾并没有这么看，她说：

“荣誉其实是过眼烟云，但是我的观测结果比我的名字更有意义，如果天文学家今后还在使用我的数据，这就是对我最高的褒奖。”

【作者：天体生物学·黄姤】

【编辑：太空生物学·黄媂】

【旁述：余生】

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