28.4: 暗物质的挑战
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释一下天文学家如何知道太阳系含有很少的暗物质
- 总结大多数星系中暗物质的证据
- 解释一下我们如何知道星系团由暗物质主导
- 将暗物质的存在与包含许多星系的大量空间的平均质量光比联系起来
到目前为止，本章几乎全部侧重于辐射电磁能量的物质——恒星、行星、气体和尘埃。 但是，正如我们在前面的几章（尤其是《银河系》）中指出的那样，现在很明显，星系也含有大量的暗物质。 事实上，暗物质比我们所能看到的要多得多，这意味着在我们关于宇宙结构的理论中忽略这种看不见的物质的影响是愚蠢的。 （许多极地海域的船长发现为时已晚，海面上方可见的冰山部分不一定是他唯一需要注意的部分。） 事实证明，暗物质对于决定星系和整个宇宙的演变极为重要。
宇宙的大部分都充满暗物质的想法可能看起来像是一个奇怪的概念，但我们可以举一个离家更近的 “暗物质” 的历史例子。 十九世纪中叶，测量结果表明，如果将太阳系中所有已知天体的引力相加，天王星就不会完全遵循牛顿定律预测的轨道。 有些人担心牛顿定律在我们的太阳系中可能根本行不通。 但更直截了当的解释是将天王星的轨道偏差归因于一颗尚未见过的新行星的引力效应。 计算显示了那颗行星必须在哪里，而海王星就在预测的位置被发现了。
同样，天文学家现在通常通过测量暗物质对我们可以看到的物体的引力效应来确定星系中暗物质的位置和数量。 而且，通过测量星系在星团中的移动方式，科学家们发现暗物质也分布在星团中的星系中。 由于星系周围的环境对其发展很重要，因此暗物质也必须在星系演化中发挥核心作用。 事实上，暗物质似乎构成了宇宙中物质的大部分。 但是什么是暗物质？ 它是由什么制成的？ 接下来我们来看看寻找暗物质和确定其性质的探索。
当地社区的暗物质
我们自己的太阳系中有暗物质吗？ 天文学家已经检查了已知行星和航天器在前往外行星及其他地方时的轨道。 没有发现偏离根据太阳系中已经发现的大量天体和重力理论预测的轨道偏差。 因此，我们得出结论，没有证据表明附近有大量的暗物质。
天文学家还在银河系区域寻找暗物质的证据，该区域位于距离太阳几百光年以内。 在此附近，大多数星星仅限于精简磁盘。 可以计算出圆盘必须包含多少质量才能防止恒星在圆盘上方或下方徘徊。 圆盘中必须存放的物质总量不到发光物质量的两倍。 这意味着在靠近太阳的区域中，只有不超过一半的质量是暗物质。
星系及其周围的暗物质
与我们在太阳和太阳系附近的当地社区形成鲜明对比的是，（正如我们在银河系中所看到的那样）有充足的证据强烈表明，整个银河系中约有90％的质量是暗物质光环的形式。 换句话说，暗物质显然是可见物质的九倍左右。 天文学家在银河系的外围区域发现了一些恒星，这些恒星围绕其中心旋转得非常迅速。 我们能在银河系中探测到的所有恒星和所有星际物质中所含的质量并不能施加足够的引力来解释那些快速移动的恒星是如何留在轨道上而不会飞走的。 只有拥有大量看不见的物质，银河系才能抓住那些快速移动的外部恒星。 其他螺旋星系的结果也相同。
图\(\PageIndex{1}\)是天文学家为我们本地小组成员的仙女座星系进行的各种观测的一个例子。 观测到的像仙女座这样的螺旋星系的旋转通常出现在称为旋转曲线的图中，这些图显示了距离星系中心的速度与距离。 这样的图表明，暗物质存在于每个星系发光部分周围的大光环中。 银河系和仙女座周围光环的半径可能高达300,000光年，远大于这些星系的可见大小。
星系团中的暗物质
星团中的星系也会四处移动：它们绕星团的质心运行。 我们不可能在星系的整个轨道上跟踪星系，因为这通常需要大约十亿年的时间。 但是，可以测量星团中星系的移动速度，然后估计星团中的总质量必须是多少，才能防止单个星系飞出星团。 观测结果表明，光靠星系的质量无法使星团保持在一起，必须再次出现其他重力。 星团中暗物质的总量超过星系本身所含发光质量的十倍以上，这表明暗物质存在于星系之间和星系内部。
我们可以采用另一种方法来测量星系团中暗物质的数量。 正如我们所看到的，宇宙正在膨胀，但是这种膨胀并不完全均匀，这要归功于重力的干扰。 例如，假设一个星系位于外面，但相对靠近一个丰富的星系群。 由于宇宙的扩张，星团的引力将拉动邻近的星系并减慢它离开星团的速度。
以位于处女座超级星团郊区的局部星系群为例。 集中在处女座星团中心的质量对局部群施加引力。 结果，Local Group正在以比哈勃定律预测的每秒慢几百公里的速度离开处女座星团的中心。 通过测量与平滑膨胀的偏差，天文学家可以估计大型星团中所含的总质量量。
还有另外两种非常有用的方法可以测量星系团中暗物质的数量，这两种方法都产生了与测量星系速度的方法普遍一致的结果：引力透镜和X射线发射。 让我们来看看两者。
正如阿尔伯特·爱因斯坦在他的广义相对论中所表明的那样，质量的存在扭曲了周围的时空结构。 光线跟随这些弯曲，因此非常大的物体可以显著弯曲光线。 您在上一节的 “天文学基础知识” 功能框引力透镜中看到了这方面的示例。 可见星系并不是唯一可能的引力透镜。 暗物质也可以通过产生这种效果来揭示其存在。 图中\(\PageIndex{2}\)显示了一个像引力透镜一样起作用的星系团；你在图片上看到的条纹和弧线是更远星系的镜头图像。 引力透镜已经很清楚了，天文学家可以使用这张照片中看到的许多椭圆形和弧线来计算星团中有多少物质以及质量分布的详细地图。 对许多此类引力透镜团的研究结果表明，与单个星系一样，星系团所含的暗物质是发光物质的十倍以上。
天文学家用来探测和测量星系团中暗物质的第三种方法是在X射线的光线下对它们进行成像。 20 世纪 70 年代，当第一台灵敏的 X 射线望远镜发射到环绕地球的轨道并在大型星系团上进行训练时，人们很快发现这些星团会发出大量的 X 射线辐射（图\(\PageIndex{3}\)）。 大多数恒星不会发出太多的X射线辐射，星系内恒星之间的大多数气体或尘埃也不会发出太多的X射线辐射。 从几乎所有的大型星系团中看到的X射线会发射什么？
事实证明，就像星系的恒星之间有气体分布一样，星系团的星系之间也有气体分布。 这些巨大的气体库中的粒子不只是静止不动；相反，它们不断移动，在星团巨大重力的影响下放大，就像围绕巨型太阳的微型行星一样。 当它们相互移动和碰撞时，气体会越来越热地升温，直到在高达1亿K的温度下，它在X射线波长下会发出明亮的光芒。 星团的质量越大，运动速度越快，气体越热，X 射线越亮。 天文学家计算出，产生这些运动的质量必须是他们在星团（包括所有星系和所有气体）中能看到的质量的十倍左右。 这再次证明星系团被认为由暗物质主导。
质光比
我们在《星系特性》中描述了使用质量与光比来表征星系或星系团中的物质。 对于主要包含旧恒星的系统，质量与光的比通常为10比20，其中质量和光以太阳的质量和亮度为单位进行测量。 质量与光比等于或大于 100 表示存在大量暗物质。 下表\(\PageIndex{1}\)总结了各类物体的质量光比的测量结果。 在所有星系大小及更大的系统中，质量与光的比率都非常大，这表明所有这些类型的物体中都存在暗物质。 这就是为什么我们说暗物质显然构成了宇宙总质量的大部分。
| 物体类型 | 质光比 |
|---|---|
| 太阳 | 1 |
| 太阳附近的物质 | 2 |
| 银河系中的总质量 | 10 |
| 一小群星系 | 50—150 |
| 丰富的星系团 | 250—300 |
星系聚类可以用来得出给定空间区域中的总质量量，而可见辐射可以很好地表明发光质量在哪里。 研究表明，暗物质和发光物质密切相关。 暗物质光环确实超出了它们周围星系的发光边界。 但是，在有大型星系团的地方，你也会发现大量的暗物质。 星系分布中的空隙也是暗物质分布中的空隙。
什么是暗物质？
我们如何去弄清楚暗物质是由什么组成的？ 我们可能使用的技术取决于其成分。 让我们考虑一下一些暗物质由普通粒子组成的可能性：质子、中子和电子。 假设这些粒子被组装成黑洞、褐矮星或白矮星。 如果黑洞没有吸积盘，我们就看不见它们了。 白矮星和褐矮星确实会发出一些辐射，但亮度很低，以至于在超过几千光年的距离内看不见它们。
但是，我们可以寻找如此紧凑的物体，因为它们可以充当引力透镜。 （参见 “天文学基础知识” 功能框引力透镜。） 假设银河系光环中的暗物质由黑洞、褐矮星和白矮星组成。 这些物体被奇怪地称为 macHOS（Massive Compact Halo Objects）。 如果看不见的 MACHO 直接在遥远的恒星和地球之间穿过，它就会充当引力透镜，聚焦来自遥远恒星的光。 这会导致恒星在几小时到几天的时间间隔内显得变亮，然后才恢复到正常亮度。 由于我们无法预测任何给定的恒星何时会以这种方式变亮，因此我们必须监视大量恒星才能在行为中捕捉到一颗恒星。 没有足够的天文学家来监视这么多的恒星，但是当今的自动望远镜和计算机系统可以为我们做到。
对附近称为大麦哲伦云的星系中的数百万颗恒星进行观测的研究小组报告了几个例子，说明如果银河系的光环中存在 macHOS，预计会出现什么样的亮度（图\(\PageIndex{4}\)）。 但是，银河系光环中没有足够的 macHos 来解释光环中暗物质的质量。
这一结果以及其他各种实验使我们得出结论，我们所熟悉的物质类型只能构成暗物质的一小部分。 另一种可能性是暗物质是由某种新型粒子组成的，研究人员现在正试图在地球的实验室中探测到这种粒子（见《大爆炸》）。
天文学家和物理学家提出的暗物质粒子类型通常分为两大类：冷热暗物质。 “热” 和 “冷” 这两个术语不是指真实温度，而是指粒子的平均速度，类似于我们现在对房间中空气粒子的看法。 在寒冷的房间里，平均而言，空气颗粒的移动速度要比在温暖的房间里慢。
在早期的宇宙中，如果与最终变成星系和更大结构的普通物质的块状和颠簸相比，暗物质粒子很容易快速而远地移动，那么我们就称这些粒子为热暗物质。 在这种情况下，粒子运动会抹去较小的肿块和颠簸，这意味着产生的小型星系会减少。
另一方面，如果暗物质粒子移动缓慢且与早期宇宙中肿块的大小相比只能覆盖很小的距离，那么我们就称之为冷暗物质。 它们缓慢的速度和能量意味着即使是较小的普通物质块也能存活下来长成小星系。 通过观察星系何时形成以及它们是如何演变的，我们可以利用观测来区分这两种暗物质。 到目前为止，观测结果似乎与基于冷暗物质的模型最一致。
解决暗物质问题是天文学家面临的最大挑战之一。 毕竟，如果不了解星系最大组成部分是由什么构成的，我们就很难理解星系的演变和宇宙的长期历史。 例如，我们需要知道暗物质在启动导致星系形成的更高密度的 “种子” 方面起了什么作用。 既然许多星系都有由暗物质组成的大型光环，这会如何影响它们之间的相互作用以及它们碰撞产生的星系的形状和类型？
掌握各种理论的天文学家正在努力制作星系结构和演化模型，这些模型将暗物质以恰到好处的方式考虑在内。 尽管我们不知道暗物质是什么，但我们确实有一些线索可以说明它如何影响第一批星系的形成。 正如我们将在《宇宙大爆炸》中看到的那样，仔细测量宇宙大爆炸后遗留的微波辐射，使天文学家能够对导致我们在当今宇宙中看到的大星系形成的早期种子的实际大小设定非常严格的限制。 天文学家还测量了当今宇宙中不同大小的星系和星团之间的相对数量和距离。 到目前为止，大多数证据似乎都倾向于冷暗物质，而目前的大多数星系和大规模结构形成模型都使用冷暗物质作为其主要成分。
似乎暗物质（一种施加重力，超过宇宙中所有已知恒星和星系但不发射或吸收光线的神秘物质）的存在还不够，宇宙中还有一个更加令人困惑且同样重要的组成部分直到最近才被发现：我们称之为暗能量与暗物质并行。 我们将在《大爆炸》中详细介绍它并探讨它对宇宙演化的影响。 现在，我们可以完成对宇宙内容的盘点，方法是注意到整个宇宙似乎都包含着一些神秘的能量，这些能量将时空分开，将星系和由星系组成的更大结构随之而来。 观察表明，随着宇宙年龄的增长，暗能量相对于重力变得越来越重要。 结果，宇宙的扩张正在加速，而这种加速似乎主要发生在宇宙只有当前年龄的一半左右。
因此，当我们窥视宇宙时，我们所看到的 —— 来自被错综复杂的气体和尘埃面纱包裹的数万亿颗星系中数万亿颗恒星的光 —— 实际上只是锦上添花：正如我们在《宇宙大爆炸》中看到的那样，当我们向外看星系和星团时在整个宇宙中，天文学家发现，宇宙中每有一克发光的普通物质，例如质子、中子、电子和原子，就有大约 4 克的非发光普通物质，主要是星际氢气和氦气。 大约有27克暗物质，能量当量（记住爱因斯坦的名言\(E = mc^2\)）约为68克暗能量。 暗物质，以及（正如我们将看到的）更是暗能量，生动地证明了我们在整本书中试图强调的内容：科学永远是一份 “进度报告”，我们经常遇到的问题多于答案的领域。
接下来让我们汇总所有这些线索，追溯宇宙中星系和大规模结构的生命史。 接下来是当前的共识，但该领域的研究进展迅速，随着新观察的提出，其中一些想法可能会被修改。
摘要
根据天文学家所能探测到的所有发光物质（恒星、气体和尘埃）的重力，恒星在围绕星系中心的轨道上移动的速度要快得多。 这种差异意味着星系和星系团由暗物质而不是普通的发光物质主导。 来自巨大星系团的引力透镜和X射线辐射证实了暗物质的存在。 星系和星系团所含的暗物质是发光物质的10倍左右。 虽然有些暗物质可能由普通物质（质子、中子和电子）组成，可能以非常微弱的恒星或黑洞的形式组成，但其中大部分可能由某种尚未在地球上探测到的全新粒子组成。 对引力透镜对遥远物体的影响的观测已被用来在银河系的外部区域观察任何以紧凑、昏暗的恒星或恒星残余物为形式的暗物质，但尚未发现足够的此类物体来解释所有暗物质。
词汇表
- 冷暗物质
- 缓慢移动的巨大粒子，尚未被识别，它们不吸收、发射或反射光或其他电磁辐射，构成星系和星系团质量的大部分
- 暗能量
- 一种导致宇宙加速扩张的能量；这种能量的来源尚不清楚
- 热暗物质
- 尚未识别的大型粒子，它们不吸收、发射或反射光或其他电磁辐射，构成星系和星系团质量的大部分；热暗物质是比冷暗物质移动速度更快的物质