1+1=3?我们是怎么“发现”暗物质的?

 

当人们将大口径的望远镜和灵敏的相机对准天空中的后发座星系团(当时还被称为星云)时,有些事情看上去似乎不太寻常。这个星系团里的星系,“跑”的有点太快了。...



出品:川陀太空

制作:香港中文大学天体物理学张博士

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川陀太空讯  暗物质粒子探测卫星“悟空”上天,四川锦屏山地下暗物质实验室“PandaX”实验观测,五百米口径射电望远镜FAST开眼,中国在天体物理领域的尖端探索也已经走到世界的前沿。而当中最重要的部分之一,已经在一系列实验的名称中显露出来。”暗物质“究竟是什么,我们能找到它们吗?今天我们就来回顾一下,暗物质的“发现“历史。

1+1=3?

让我们回到上世纪初,爱因斯坦创立了广义相对论,宇宙学开始真正成为一门严肃的科学。牛顿的经典运动定律和万有引力定律仍在成功解释着天空中那些天体的运动。然而当人们将大口径的望远镜和灵敏的相机对准天空中的后发座星系团(当时还被称为星云)时,有些事情看上去似乎不太寻常。这个星系团里的星系,“跑”的有点太快了。

第一个发现这些不寻常并且提出暗物质概念的,就是兹威基。弗里茨·兹威基,瑞士人,出生于1989年,一生中大多数时间都在美国加州理工学院工作。他在1933年用德语写了一篇后世看来无比重要,当时却不受天文圈子重视的文章,我们至今还可以看到这篇文章的英语翻译版(http://adsabs.harvard.edu/doi/10.1086/143864)。
按照他的研究,通过观测到的星系运动速度,可以利用牛顿万有引力定律估算这个星系团的总质量,之后又可以根据这些星系发光的总亮度估计一个质量。然而这个差别,是500:3。引力告诉我们这个星系团重500,而它发的光告诉我们,它重3。

因此兹威基就说,好吧,那我们就猜测这个星系团里还包含了497份质量的我们看不见的物质,那就叫做暗物质咯。虽然当时人们觉得这就是在瞎扯,然而几十年后的观测证据,让人们不得不开始相信,似乎真的有暗物质。
扯不住的丝线?

拿一根丝线,顶上绑住一块橡皮,用手捏住丝线的另一端,然而让橡皮在空中飞舞旋转吧。或者,有些同学玩过溜溜球,让溜溜球在空中旋转翻飞。又或者,小时候和伙伴手牵手,快速的旋转起来感受天旋地转。然而无论是哪种经历,你都一定记得,如果想要转得快,你就需要拉的更用力。

时间来到了上世纪的70-80年代,人们有了更好的望远镜和探测器,第一次可以仔细查看,天上的星系是如何旋转的。这些星系总是有着美丽的旋臂,想必也一定在以一种美妙的韵律旋转吧。
但是这个韵律,似乎也不太正常。星系外围的那些星,确实围绕着星系中心在旋转,然而旋转的速度却大大超出预料。星系可见的质量根本无法提供那么强大的引力!就好像你手里的丝线,明明不足以负担转的飞快的橡皮,似乎另有一根看不见的丝线帮助你拽住了疯狂飞舞的橡皮。

于是人们想起了几乎是50年前,兹威基的疯狂想法,有暗物质在帮我们忙!这次,不只是一个星系的观测,而是很多,可以重复的,每个人都看到的,无可辩驳的证据。暗物质,就在那里,只是我们看不见。
压死骆驼的最后一根稻草

当你看到1+1=3时,可能是因为我们还漏了一个+1没有看见,当然也有可能是这个加号的定义完全不同啊。在暗物质的假说提出同时,还有一派意见认为,是牛顿的力学定律不正确,只要我们仔细修改一下,就可以满足观测的结果啦。然而这个假说在2000年之后进行的一次偶然观测中,被彻底否认,以至于主流学界完全接受了暗物质的假说。

那就是著名的子弹星系团观测。顾名思义,子弹星系团,主要就是两个星系互相碰撞,就好像子弹穿过一团果冻那样的场景。
人们通过多种不同波段的探测以及估计,获得了前所未有的,星际气体,恒星分布,质量分布的地图。在这份地图上,恒星和质量分布在一起,而气体则被彻底分开。而恒星,果不其然,比起总质量来说,少了很多。这一点和暗物质的预测完全吻合,而修改牛顿力学的方案则束手无策。

同时,暗物质的假说,在对于宇宙微波背景辐射,宇宙大尺度结构的解释获得了极大成功。人们相信,暗物质,真的存在。然而,只能间接从引力中看到暗物质存在的“脚印”显然并不能满足我们。
现在的观测给出了明确的数字,暗物质,比起我们生活中看的到,摸得着的一般物质多出五倍。那么多暗物质,为什么我们看不见?暗物质到底是什么?全世界对此都充满了期待和疑问,希望中国的这些实验项目,能够为此做出杰出贡献。


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