宇宙观：一场跨越时空的宇宙探秘之旅

宇宙中的绝大部分物质似乎不见了，这真让人不知说什么好！

要确定宇宙的物质总量，我们有两种方法：测量物质产生的引力，或者测量发光天体的光度。所有的物质无一例外都有引力，但它们不会全都发光（见图9-1），所以，用第一种方法算出来的物质总量要比第二种方法的大，事实也的确如此。

暗物质

天文学家以前认为宇宙中的物质大都以恒星的形式存在，恒星又会发光，所以，宇宙中的绝大部分物质都是可以被看见的。没想到，不算不知道，他们一算，才发现宇宙中的绝大部分物质并不发光（见图9-2）。就因为我们无法看到这些物质，所以天文学家简单地把它们叫作暗物质。在20世纪30年代，暗物质之谜最先引起了瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）的注意。我们将在第二部分的第15章“超新星爆发”里，详细讲述这位天文学先驱的事迹。

是不是出错了

首先要回答的问题是，测量结果是否有误。毕竟，星系离我们有几百万光年，要想测量它们的性质可没那么容易。不过，天文学家在这个问题上已经辛苦耕耘了数十载，目前已掌握了暗物质存在的确凿证据。

在20世纪70年代，薇拉·鲁宾（Vera Rubin）用一种巧妙的办法测量了星系的质量。她选择侧向旋涡星系（见图9-3）作为研究对象，观察其两端发出的星光。由于星系旋转，一端的恒星远离我们，星光发生红移；另一端的恒星则靠近我们，星光蓝移。鲁宾通过测量这个多普勒效应，计算出星系的旋转速度，再由此推算出星系的总质量。结果表明，星系的旋转速度非常快，仅靠可见的那些物质根本拉不住它，它会因为转得过快而解体，这暗示着在星系盘的外面还有一层暗物质晕在包裹着它。

星系

想要测量遥远星系和星系团的质量，我们还可以利用引力透镜（见图1-5）。这些宇宙里的透镜告诉我们，星系团里的可见物质力量有限，不足以让光偏折得那么厉害，所以宇宙中一定存在大量的暗物质。

大谜团

暗物质到底是什么？这是最大的谜团，也是一切都开始变得模糊不清的地方，因为所有显而易见的答案（例如还未形成恒星的黑暗气体云，或者燃尽的恒星残骸）都不是正确答案。大爆炸模型根据目前已知的普通物质的总量，能够很好地解释许多现象。尤其是在大爆炸中合成的重氢（氘）和氦的数量，理论预测与观测结果完全相符。但如果早期宇宙的物质密度比预想的要大得多，预测结果就与观测不一致了。

MACHO与WIMP

暗物质有两个候选者，一个是晕族大质量致密天体（MACHO），另一个是弱相互作用大质量粒子（WIMP）。MACHO是银河系的晕（银晕）里的一些恒星残骸（如白矮星和中子星），由于燃料耗尽，发不出光来。巡天观测已经找到证据，表明银晕中确实有这样的不发光天体。虽然我们无法直接看到它们，但在极少数情况下，它们会碰巧从我们和一颗遥远恒星的中间穿过，它的引力会让那颗恒星突然变亮。我们已经见到过这种微引力透镜事件，但它们出现的次数太少，或者说MACHO不够多，根本无法解释为什么宇宙中有那么多暗物质，所以绝大多数物理学家都相信，数量众多的WIMP才是暗物质的最佳人选。

WIMP是稳定粒子，与普通物质只有非常微弱的相互作用——也许只有引力，但肯定没有电磁力，这或许可以解释为什么暗物质自成一体，形成一个独立的晕包裹着星系，还可以解释科学家为什么至今都没在粒子对撞实验中见过WIMP的身影。

宇宙遗迹

早期宇宙曾经产生过大量的中微子，恒星和超新星爆发也在不断放出中微子，所以宇宙中也有不少中微子。科学家曾经认为中微子就是暗物质，但它的质量实在是太小了，即使数量庞大，但把它们全都加起来也赶不上暗物质的量大。大多数物理学家相信，暗物质是一种未知的稳定粒子，这种粒子在宇宙的极早期大量产生。找到它是大型强子对撞机的主要目标之一。

探测器实验

大型强子对撞机的实验人员希望在质子对撞的碎片里，找到新生成的暗物质粒子。不过，我们还有别的办法找到这些神出鬼没的粒子。如果宇宙中到处都有暗物质，那么在我们的周围也应该有不少暗物质。全世界有不少实验项目正在翘首以盼，等着暗物质跑到我们跟前来，XENON100实验就是其中之一。这个实验装置被深埋在意大利格兰萨索国家实验室的地下（见图9-4），这样做可以使它免受宇宙射线和其他背景粒子的干扰。实验室的工作人员先用几乎没有放射性的物质制作一个罐子，然后往罐子里倒入165千克液态氙。他们对液态氙进行监测，看看是否有外来的未知粒子闯入液体，与氙原子中的电子发生碰撞。这种碰撞会电离氙原子，使它放出电子并发出紫外光，实验人员一看到这个信号，就知道有粒子碰撞事件发生了。

这些年来，世界各地开展了各种各样的实验，一门心思地寻找暗物质，却都一无所获。不过，想想我们花了48年才发现希格斯玻色子，现在就放弃寻找还为时过早。研究人员将尽力提高探测器的灵敏度，继续寻找，期盼着有朝一日成为捕获WIMP粒子的第一人。

其他解释

关于暗物质的问题，可能还有另一种解释，有些人肯定是这么想的。我们找了这么久，为什么连一个WIMP粒子都没找到呢？有人给出了一个不错的理由：因为它们根本不存在。星系和星系团能够产生巨大的引力，这一点无人质疑，但却有人对引力理论心存疑虑，认为有必要提出一个全新的引力理论。他们声称，如果引力的作用力比预想的再强一些，那么我们就不需要暗物质了。虽然这只是少数人的想法，但这样的新理论已经出现了。然而，这些理论没有一个能够替代广义相对论。

广义相对论被公认为有史以来最精妙的理论，绝大多数物理学家很难再接受另一个引力理论，除非它和广义相对论一样出色。不仅如此，广义相对论的预言都已被证实无误，而且它带来的惊人成果还将继续得到确认。既要符合广义相对论的所有精准预测，又不能让暗物质来帮忙，这对一个新理论来说，可是非常高的要求了。

咬住“子弹”不放松

在距离我们37亿光年的地方，两个星系团并合后，形成了一个更大的星系集合体——子弹星系团（见图9-5）。这个星系团非常与众不同，新引力理论一遇到它就失效了，因为它的暗物质与可见物质并不在一处，而是彼此分开，各自为营。

子弹星系团里有两团非常炽热的气体云，星系团里的普通物质大多集中在那里，就算把成员星系里的普通物质全部加起来，也远没有那两团气体云多。在星系团并合的过程中，气体被加热到非常高的温度，发出X射线，这才让我们看到它。图9-5是一张子弹星系团的伪彩色图像，由于热气体不会发出可见光，所以科学家用红色标示它。科学家通过分析子弹星系团的引力透镜效应，推断出暗物质在星系团内的分布情况，在图中用蓝色标出。

在子弹星系团里，把两团气体云和成员星系里的可见物质加在一起，也远没有暗物质多。更重要的是，暗物质与普通物质互不重合。根据正统的引力理论，再加上暗物质理论，出现这样的情况并不奇怪，因为在星系团并合前以及并合过程中，热气体会受到电磁力和引力的影响，而暗物质只受到引力的作用。相比之下，新的引力理论很难解释我们在子弹星系团里看到的情形，因为它虽然增强了引力的长程作用，使星系团仅靠可见物质也能产生引力透镜效应，但由此推算出来的引力透镜效果却与观测不符。子弹星系团因此被视为暗物质存在的直接证据。

尽管如此，暗物质的本质至今仍是一个谜，物理学家期望着在不远的将来解开这个谜。