暗物质史︱为什么我们如此确信暗物质存在，而不是引力理论出问题

iusidgi

宇宙学的标准模型也就是我们熟知的大爆炸+暴涨理论，这个理论的提出不是一蹴而就的，而是经过了多次的补充和修正！例如：暴涨理论就是多大爆炸的修正，而我们后来提出的暗物质是对宇宙模型的补充。暗物质自20世纪30年代首次提出到现在已有近80年的历史了，但目前依据是宇宙学排行靠前的一大谜团！所以下面要说的就是小伙伴们比较关心的问题了：我们基于什么样的证据这么确定暗物质的存在呢？还有没有暗物质的替代理论呢？
我们今天就聊下暗物质的历史，以及相关的一些问题！

哈勃极深场的伟大发现
如果你对外层空间、宇宙以及整个宇宙的构成感兴趣的话，我相信你一定听说过暗物质，或者是暗物质问题。那么我们先来看看目前人类最伟大的望远镜观测天空所得到的结果。

（并不是上图这张照片）。这张照片是我们肉眼就可以看到天空的一小部分，只包含了我们星系中为数不多的几颗暗淡的恒星，貌似这片天空中除了这些恒星以外什么都没有了，剩下的就是一片黑暗和虚无！
但事实真的是这样吗？我曾经说过：哈勃望远镜做过最伟大也是最“大胆”的举动就是指向了这样一个区域：没有明亮的恒星，星系，或已知的任何星团或星群，意思就是对着一块我们认为什么都没有的区域，并且经过长时间的曝光，以收集更多微弱的光线。上图标着“XDF”的小区域就是哈勃极深场的位置（观测位置），这个区域非常非常小，只占了整个夜空区域的1/3200万。就这样一个看似空无一物的区域，你知道哈勃看到了什么？

上图就是著名的哈勃极深场，就这幅图中就有5500个独特的星系，这意味着整个宇宙中至少有2000亿个星系，这还只是我们目前所能看到的部分星系，如果我们看得更深更远呢？这个答案显而易见，星系的数量会不断的刷新人们的认知。我们通过什么方法判断一个星系的质量
现在我们想想无论是在我们附近的星系还是数百亿光年之外的星系，是什么让这些星系发光的。

这肯定是星系中的恒星为整个星系提供了光度！值得一提的是，在过去的150年左右的时间里，天文学和天体物理学最伟大的成就之一就是：我们已经掌握了恒星的形成、发展、死亡和发光的原理。当我们测量整个星系发出的星光时，我们就可以准确地推断出星系中存在何种类型的恒星，以及星系中恒星的总质量。
但我们需要记住一点：我们从星系、星系群和星团中观察到的光，告诉我们这个星系、星系群或星团中的恒星质量是多少。但是通过测量星光推断星系的质量并不是我们唯一判断的标准！

除了星光，我们还可以测量星系是如何运动的，旋转速度有多快，星系的相对速度是多少等等。根据万有引力定律，如果我们测量星系的运动速度，就可以推断出星系里面有多少质量和物质！观测到的星系质量和引力预言的质量相差甚远，以及暗物质问题的出现
我们应该清楚，万有引力定律是一个普遍的理论，这意味着它在宇宙的任何地方都是适用的。支配太阳系的定律必须与支配星系的定律相同。所以我们有两种不同的方法来测量宇宙中“大结构”的质量：
我们可以测量星系发出的星光，因为我们知道恒星是如何工作的，所以我们可以推断出星系中恒星的质量。
我们可以测量星系是如何运动的。从万有引力，我们可以推断出星系的总质量。
现在我们要问一个十分关键的问题：这两个数字匹配吗?（我们需要知道一个事实：就太阳系中，太阳占太阳系总质量的的99.86%）

这两个数字不仅不匹配，而且相差甚远！通过万有引力计算的星系质量是我们观察得到恒星总质量的50倍。无论我们观察的是小星系、大星系、星系群还是星系团，结果都是如此。
这个数字告诉了我们一些重要的事情：
要么构成宇宙质量98%的物质不是恒星，
要么是我们对引力的理解是错误的。
不论是哪一个可能，都会对我们理解宇宙产生深远的影响！我们先来看第一种可能。

除了构成星系和星团质量的恒星外，可能还有很多很多其他的物质，包括:
一团不发光的物质，如行星、卫星、小卫星、小行星、冰球等
中性和电离的星际气体、尘埃和等离子体
黑洞
像白矮星和中子星这样的恒星残骸
非常暗的恒星或矮恒星。
怎么说！这些物质都可以为星系提供质量。但问题是，科学家也想到了，并且已经测量了这些物体的丰度。宇宙中正常物质(即由质子、中子和电子组成)的总量，包括轻元素的丰度、宇宙微波背景、宇宙的大规模结构以及各种天体物理测量，其中还有中微子的贡献。这也就是我们目前知道的正常物质的总量。

我们现在知道：宇宙中大约有15-16%的物质由质子、中子和电子组成，其中大部分是星际(或星系间)气体和等离子体，还有1%的正常物质以中微子的形式存在。那么剩下的那一大片的物质，一定是一种具有质量，并且不与其他物质发生电磁作用，只会产生很微弱的弱相互作用的粒子！并且它不是标准模型中的任何粒子。
这就是我们常说的暗物质的问题。
其实我们能想到的，科学家也早都想到了！假设这种看不见的新型物质并不存在，是我们的理论出了问题，在大尺度上的引力定律是错误的呢？下面我们就说下这个想法！暗物质的历史，以及随着时间的推移我们对暗物质的了解，难道我们的引力出了问题？

在早期阶段人们对大规模结构的形成知之甚少。但从20世纪30年代开始，弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)就开始测量星系团中来自星系的星光，以及各个星系之间相互移动的速度。这时他就注意到了上文中提到的：恒星的质量与必须存在质量之间存在巨大的差异，而足够的质量是星系结构稳定的必要条件。
包括现在都有人对暗物质是否存在产生怀疑，所以在那个时候根本就没人相信有看不见的物质！所以大约40年来，兹威基工作基本上都被科学界忽视了。

直到20世纪60年代，当人们开始进行大规模的宇宙学研究时，凯恩（F. D. Kahn）和沃特（L. Woltjer），他们研究了银河系和仙女座星系的相对运动，其结果表明，除了兹威基的集群动力学问题（单个星系），在更大尺度上看到的结构需要一个不可见的、非重子质量源来解释所观察到的结果。(自那以后，2dF（上图）和SDSS等研究也印证了这一情况)
在20世纪70年代，薇拉·鲁宾(Vera Rubin)对仙女座中星体旋转速度的研究发现，星系中星系外围的星体旋转速度并没有因为远离中心而减小，如果不存在其他物质提供引力，外围的星体会因为高速旋转而被甩出星系！但实际情况是，星系结构如此的稳定！所以这让人们重新关注旋转星系，以及各种研究展示出来的暗物质问题。

薇拉·鲁宾(Vera Rubin)
根据对万有引力定律以及对星系中正常物质密度的观察，我们会认为，当远离螺旋星系的中心时，围绕星系中心旋转的恒星会减速。这应该与太阳系的情况非常相似，水星的轨道速度最高，其次是金星，然后是地球，然后是火星等等。但自旋星系显示的实际情况是，当逐渐远离星系中心时，旋转速度似乎保持不变。这告诉我们，星系中弥散着大量看不见的物质，在保持着星系的稳定，要么就是我们的引力定律不适合大尺度结构，需要修改！

早期关于暗物质的替代方案——对引力模型的修正，其结果如何呢？
我们现在直到暗物质是对以上所有问题提出的最主要解决方案，但一开始没有人知道暗物质是什么？它的温度特性是什么？以及它是否/如何与正常物质或与自己发生相互作用。所以人们就提出了第一个主要的替代暗物质的方案。

在20世纪80年代的早期人们提出了MOND（修正牛顿动力学的缩写），作为一种解释星系旋转的现象学、经验模拟的理论。MOND在小尺度结构(星系尺度)上运行得确实很好（如上图所示），但在所有大尺度模型上都失败了。MOND不能解释星系团，不能解释大规模的结构，也不能解释轻元素的丰度等等。

MOND除了在解释大尺度结构上的失败之外，它也不是一个可行的引力理论。这意味着MOND不能解释星光因质量而产生的弯曲、引力时间膨胀或光线红移、双脉冲星的行为或其他任何符合广义相对论的引力现象。如果真的要对引力理论做出修正，我们需要的是一个相对论性质的引力版本，它既能解释星系的旋转曲线，也必须解释我们目前的引力理论所成功预测的所有现象。总结：只有引入暗物质，宇宙才能在大尺度上完好的运行并与我们的观测相符
然而，随着时间的推移，暗物质理论开始在宇宙学的观察中取得了巨大的进步。随着我们对宇宙更大尺度的观测和对宇宙微波背景波动的(下图)精确测量，人们发现只要引入暗物质，宇宙在所有的尺度上都将符合预期的观测结果。

换句话说，一个由比正常物质多五倍的暗物质组成的宇宙与所有最新的观测结果高度一致。
这是暗物质的巨大胜利，也是对所有修正引力模型的否定。这就是为什么我们如此确定暗物质存在的原因。