宇宙中有暗物质存在吗（宇宙有大量不发光物质）

暗物质是宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质。

上世纪，我们对宇宙中星系团的质量做了一次大规模的调查，使用了两种独立测算的方法，其一，是星光法，也就是通过光度来测算星系的质量；其二是，根据引力理论，通过星系的运动来测算引力质量。如果这两套理论是正确的，算出来的质量也不是说就要完全得等，最少也应该相差不大，但事实证明，通过引力测量出来的质量竟然是星光质量的50倍。这相差出来的质量就是我们所说的暗物质问题，也称为质量缺失问题。

这里有个问题，你应该看到了，仅是通过星光测算恒星的质量怎么能解释整个星系，乃至星系团的质量呢？难道在宇宙中除了恒星再就没有其他的物质了？例如：等离子体、气体云、不发光的天体、中子星、黑洞。如果加上这些被我们遗忘的东西，是不是质量就相等了？

不管怎样，最简洁的解释是我们应该最先考虑的。这就要求我们不仅要考虑宇宙中可以看到的发光物质，还要考虑虽然看不见但确实可能存在的事物！

恒星因为会发光，当然是最容易被看到的物质形式，但物质的其他形式还有很多。依靠众多技术专家的聪明才智，人们逐渐构建起了探测宇宙物质各种形式及其所占比重的方案。以原子为主要成分的普通物质，有哪些方式在宇宙中显示自己的存在呢？可以是像自由电子、质子和原子核这样的离子化粒子，也可以是在星系之间和星团之间，以及星系和星团内部以气体云形式弥漫着的中性原子。

同时，大量的“失败恒星”也可以是物质的存在方式，这些质量较大的物质团块只是还不足以在其核心区启动核聚变而已。此外还可以是跟行星差不多大或更小的、自身不发光的物质团，或者是尘埃状的、可以遮挡其他天体光芒的暗星云。此外，超新星遗迹里也会有不少物质，像白矮星、中子星和黑洞都是物质的聚集，它们同样不发光，但可以产生极强的引力作用。

要想知道到底是不是这些看见的物质就是宇宙缺失的质量，有一种方式是直接测算各种物质形式的占比，这就好比给宇宙做一次“人口普查”。通过多种技术手段，以上述每一种形式存在的物质，我们都可以侦测得到。

对离子化的粒子，不论其多么稀薄，都可以通过电磁波谱中的X射线波段和紫外线波段察觉到，因为哪怕是最嫖纱的等离子体都会在这些波段上发出电磁波。像“XMM- 牛顿”和“钱德拉”这样的太空探测器一直在观测×射线，也证实了确实有很多物质粒子以弥散的等离子态存在。这种状态的物质也叫 WHIM，即“暖热星系际介质”的英文缩写。但是，宇宙中有多少物质以WHIM形式存在呢？

我们已经发现 WHIM 的物质量仅为恒星物质总量的6至7倍。显然，这种数量的 WHIM，不足以解释星光、引力两种观测方式的得数之间近50倍的差距。另外，WHIM 也基本只在星系或星团之外出现。

气体分子云所含的物质量也不容小视，不过，它们与等离子态物质的一个区别在于，它们主要位于星系和星团的内部。我们可以在一系列红外波段上直接探测到这些气体云的存在。重要的是，在星团或星系经历新恒星频繁形成的阶段时，我们可以通过测量它释放出的X射线来推算气体云物质的占比。

对大量星系和星团进行该测量后，结果显得相当一致：气体形式的物质占比都在11%到15%。按前述通过星光、引力两种方法得到的结果看，恒星物质只及引力效果所需的2%。现在数字变大了不少，但还是远不能完全解释通过引力得出的物质总量。

那些未能达到正常标准的恒星（如褐矮星，或者比木星稍大一点的气体星球）只能在光谱的红端发出很有限的光辐射，有的甚至完全发不出可见光。所以，用普通的望远镜虽然不是完全看不到，也很难发现它们。不过，通过红外望远镜进行的细致搜索可以定位这种天体。

事实说明，这些天体跟其他不少能力不足的天体一样，其核聚变只够生成稍重的氢同位数，即氘。像褐矮星这样的天体，质量比正常的恒星小得多,其对星团或星系总质量的贡献虽不至于完全忽略，但也远小于1%。所以，这类天体的存在也远不足以补全我们在理论上遗失掉的那部分质量。

要侦测到质量更小的遥远星球（例如像月球或普通大行星这样的星球），通常有两种方法：凌星法和微透镜法。一般来说，绕着恒星运转的行星在所有波段上发出和吸收的光芒，与其主恒星相比都微不足道，所以通常很难看出一颗恒星是否拥有自己的行星。

但是，只要这种遥远恒星的数量足够多，那么其中总会有一些会偶尔从其主恒星和地球之间的连线上经过。依据它与主恒星的距离不同，可以分别采取上述两法。当其与主恒星较近时，它会在一段特定的时间内（即划过恒星圆面期间）挡住主恒星光芒中的一小部分，使其亮度轻微下降；当其离主恒星较远时，会产生微弱的引力透镜效应，使我们看到的主恒星亮度短暂上升。通过这两种方法观测到的行星数量加以推算，物质的总量又有所增加，然而还是不可能达到我们需要的总数的哪怕1%。这类星球被我们称为“晕族大质量致密天体” （缩写为 MACHO），然而对它们的研究依然没能消除关于星系质量理论值差异的疑问。

宇宙尘埃也很有趣，我们可以通过其吸收特性去发现它们的踪迹。如果一片尘埃云由彼此差不多大的颗粒组成，那么它就能吸收光谱中特定波长的光，所以我们通过测量光谱吸收线就可以推算出这片尘埃云中的物质颗粒大小。虽然含有尘埃云的星系都很引人注目，但即便是尘埃云最丰富的星系，尘埃质量也只有整个星系质量的1%，所以尘埃的存在对解决星系质量问题也没有什么帮助。

除了上述天体之外，还有已经坍缩的各种天体，如白矮星、中子星和黑洞。黑洞是宇宙中质量最大的一种天体，某些大黑洞的质量可达太阳的几十亿倍甚至上百亿倍。可惜的是，黑洞并没有朝星系团的中心聚集的倾向，所以很难用来解释我们看到的星系运转特点。此外它们的总质量也是干脆不够，这些恒星遗骸的总质量远不如现有恒星的总质量。

况且，这些低光度、大质量的天体也很容易通过微透镜法和其他方法被侦测到，因此不难判断出它们所含的物质对星系引力的贡献明显比不上现有恒星的贡献。

即使把这么多种质量来源的贡献都加起来，再加上天文学家发现的其他所有各种质量来源，其效果也只能解释前述的整体引力效果的 13%～18%。宇宙中的质子、中子和电子，组成了我们认识的普通物质；但是，在把由这些物质组成的东西一网打尽之后，谜题仍未得到回答。

先不要管前面所说的形形色色的普通物质了，因为我们还有一条巧妙的路径可以用来探究这个谜案。你应该记得，宇宙在很久以前曾有一个时期因为温度过高而无法拥有独立的原子核，任何质子和中子几乎在结合成原子核的同时，就会被携带着很高能量的光子击中而“分手”。不过，随着宇宙的扩张，光子的能量也会降低，所以质子和中子在某个历史时刻之后终于可以结合成氢元素及其同位素了，于是产生了氢、氦-3、氦-4、锂-7等。

基于我们已经理解的物理法则可知，这些同位素在早期的比率取决于许多项参数，但其中只有一项参数是不能确定的，那就是重子（即质子和中子的总和）数量与光子数量之比。理解这一点需要稍微做些梳理：通过测量属于不同时期的恒星的数量，并由此倒推至宇宙中尚未有恒星诞生的时代，我们可以测出氢、氦-3、氦-4、锂-7在早期宇宙中的数量。

在某些特殊情况下，我们还能测量更远处（更早期）的、带有光源（如类星体）的原始气体云，它直接决定着诸如氢和氦-4 这样的物质的丰度。而只要通过观测宇宙的微波背景辐射，我们就能测出过去的宇宙中任意阶段的光子密度（即单位体积空间内的光子数量）。

关于这些独立可测的数量，我们已有一整套数据。但是，还有一项致量未知，即重子的丰度，也就是宇宙中质子和中子的总体丰度。由于重子比电子重将近2000倍，如果我们能掌握重子的密度，就可以求出宇宙中所有普通物质所产生的整体引力影响。确定了普通物质的密度之后，就能看出它们的引力程度与我们在星系和星系团中观察到的引力程度是否对得上号了。

不出大家预料，情况与对各个独立要素的观测结果相符，所有普通物质的总质量，只及要解释星系和星系团内部运动状况所需的总质量的大约1/6。尽管恒星包含的普通物质远非宇宙中普通物质的全部，但仅凭普通物质无法解释我们观测到的引力效应，已是板上钉钉之事。所以，我们无法用宇宙中存在的正常物质解释缺失的质量问题，这就迫使我们向普通物质之外的东西寻求答案，也就是看不见的暗物质。