宇宙中的暗物质是怎么形成的

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本回答节选自电子书，有助于解答该问题。

书名：《漫步到宇宙尽头（纸书电子版）》




1933 年，加州理工大学的瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）在研究星系团时发现了奇怪的现象：星系相互之间的速度似乎太快了。星系团是星系的集合体，可以包含数百个明亮的星系，这些星系由共同的引力场束缚。兹威基研究的星系团被称作「后发星系团（Coma Cluster，图 5.1）」，距离银河系 3 亿光年。兹威基的同事辛克莱·史密斯（Sinclair
Smith）用当时世界上最好的望远镜收集了星系团中成员星系的速度。如果星系团是稳定的系统，那么星系团中星系的速度就不能太大。如果某一个星系的运动速度远远超出了星系团引力所能束缚的范围，那么它就会在很短的时间里逃逸到星系团外。这和火箭超过第二宇宙速度后，就会逃离地球的引力束缚是一个道理。反过来说，如果天文学家测量星系的运动速度，他们就能推断星系团的总质量，这就好像我们知道太阳系里地球的轨道运动速度和轨道半径，就可以推知太阳的质量。星系的运动速度越快，说明束缚它们的引力场越强大，也就意味着星系团的总质量越大。兹威基发现，如果星系速度的观测是正确的，那后发星系团的质量未免也太大了些，要比星系团中所有成员星系的质量多出几百倍。这意味着，星系团中大量的物质是没有被观测到的。

兹威基一生从不缺乏命名新鲜事物的热情和天才，他很快将星系团中隐藏的质量命名为「暗物质」。但由于缺乏其他的独立观测佐证，在之后的 30 年里，暗物质的概念不时被人提起，却又没有人认真对待。

局面在 1960 年后发生了改变，这一次的证据来自临近宇宙中的旋涡星系。长缝光谱仪的发展使得天文学家可以获取一个星系在不同半径处的恒星绕星系中心运动的速度，也就是所谓的「星系旋转曲线」。星系中恒星的轨道运动越快，意味着它所在星系的质量越大。美国卡内基研究所的薇拉·鲁宾（Vera Rubin）和肯特·福特（kent Ford）在 10 年间系统地调查了近邻星系的旋转曲线，积累了 60 多个样本。他们的研究表明，所有的旋涡星系外围的恒星似乎都转得太快了，如果星系主要的质量来自发光物质，也就是恒星，那么这些星系外围的恒星应该早已超过了逃逸速度。这些旋涡星系中至少应该包含比发光物质多
6 倍的暗物质，才能解释观测中的旋转曲线。

星系或者星系团中存在大量不发光的物质，虽然有点困扰，但本身并没有什么了不起。我们其实早就知道宇宙有很大一部分质量实际上是很难看到的。正如我们在上一章讨论的，宇宙中的元素中占质量 3/4 的是氢元素，1/4 是氦元素，都是宇宙大爆炸初期合成的。天文学家喜欢用气体云来称呼宇宙中物质的弥散聚集体。宇宙中原初生成的氢、氦等物质，由于自身的引力作用，会慢慢聚集在一起形成气体云，并进一步密集，最终塌缩。当气体云中心的密度超过热核反应的临界密度时，恒星就被点亮了。但恒星远没有用尽宇宙中的氢、氦元素，星系中可能存在大量剩余的气体，也许它们的质量足以束缚星系外围的恒星，使得它们老老实实地待在星系中不会逃离。

到了 20 世纪 70 年代，星系团的观测有了新的进展。人们观测到了星系团中的热气体。这些气体的温度非常高，达到了 1000 万摄氏度，这样的热气体可以发出 X-ray 辐射。借助 X-ray 卫星观测，人们就可以估计星系团中气体的质量。通过 X-ray 观测，天文学家发现星系团中热气体的质量惊人地达到了恒星质量的 5 倍。但这些新发现的气体并不能为消失的质量负全责。事实上，热气体的发现反而加剧了质量缺失问题，因为这些气体温度太高了，如果没有强大的引力势阱束缚，这些气体自己就会在很短的时间内从星系团中逃逸殆尽。而束缚这些气体所需要的物质量，又是这些热气体质量的 10 倍左右。

原文地址：今日头条