郭紅鋒

暗物質(zhì)、黑洞、蟲洞、外星人、時間旅行等等，都是當前科學界最熱門的話題，也是最前沿的研究領域。很多同學都想了解這些方面的信息，但連科學家都沒搞清楚的問題，我們怎么能講清楚呢？但我們可以給同學們介紹一些背景知識，讓同學們了解一些最新的研究進展。

暗物質(zhì)概念的提出

天文界公認的給出暗物質(zhì)量化概念的，是美國加州理工學院的瑞士天文學家弗里茨·茲威基。1933年茲威基在研究后發(fā)座星系團時，用2種方法估算了后發(fā)座星系團的總質(zhì)量，結果用星系物質(zhì)之間引力關系計算出來的質(zhì)量，要比用光度測量分析得到的發(fā)光物質(zhì)總質(zhì)量大400倍！如此巨大的誤差只能有一個解釋：發(fā)光星體的質(zhì)量只是星系團質(zhì)量的一小部分，還有很大一部分質(zhì)量是看不見的或者說是未知的，于是他把這叫作“短缺質(zhì)量”。雖然與茲威基同時代的人也有類似的研究支持他的結論，但這一概念以及突破性的結論在當時并沒有引起學術界的重視。

直到20世紀60～70年代，美國女天文學家薇拉·魯賓對仙女座大星系（M31）的星系旋轉特性進行了測量，也就是測量距離星系中心不同半徑處物質(zhì)的旋轉速度，才得到圖2的所示結果。圖中橫坐標是距星系中心的距離，縱坐標為旋轉速度，圖中白色曲線是理論計算的曲線，紅色是實際觀測的曲線。

從實測的不同半徑處物質(zhì)的旋轉速度關系圖（見圖2）中可以看出，離星系中心不同距離處的天體，圍繞中心旋轉的速度都差不多，星系外圍的繞轉速度明顯比計算得到的要快很多。薇拉·魯賓又觀測了其他星系，其旋轉曲線全部都是平直的。而隨后其他射電天文學家們對25個其他星系的觀測中，發(fā)現(xiàn)有22個星系的旋轉曲線都是平直的?？茖W家們有理由認為，宇宙中存在著我們看不到的物質(zhì)，為彌散于星系各處的天體和氣體提供著引力。如果沒有這部分“看不見的物質(zhì)”的作用，那么這些星系團的引力就不足以將其中的星系像現(xiàn)在我們觀測到的這樣束縛在一起。在這之后，科學家們也從更多的方面發(fā)現(xiàn)越來越多的證據(jù)，證明大量的“觀測之外”的物質(zhì)質(zhì)量甚至比我們“看得到”的還要大。20世紀80年代，科學家正式提出了“暗物質(zhì)”這個名詞。

引力透鏡——測量暗物質(zhì)的有效方法

雖然科學家通過理論證明了暗物質(zhì)的存在，但還是無法探測到它的真實面目。暗物質(zhì)之所以稱為“暗”，是因為它幾乎不發(fā)光，也不參與電磁相互作用，所以即便是我們現(xiàn)在已經(jīng)擁有幾乎是全部電磁波段的觀測手段，也拿這些暗物質(zhì)束手無策。

但科學家還是想了很多辦法來抓住它，即使無法直接看到它，天文學家們也能另辟蹊徑，通過引力相互作用來找尋暗物質(zhì)。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，光線經(jīng)過強引力場時將會發(fā)生彎曲。如果從遙遠星系發(fā)出的光線，經(jīng)過有暗物質(zhì)的中間區(qū)域到達地球，那么在地球上的觀測者將會發(fā)現(xiàn)星系的影像發(fā)生改變，這就是有效而直觀地探測暗物質(zhì)的方法——引力透鏡。

引力透鏡因類似于光學透鏡的匯聚效應而得名。引力透鏡效應是愛因斯坦的廣義相對論所預言的一種現(xiàn)象：時空在大質(zhì)量天體附近會發(fā)生畸變，使光線在大質(zhì)量天體附近發(fā)生彎曲。如果在觀測者到光源的視線方向上有一個大質(zhì)量的前景（例如暗物質(zhì)）使得遠處光源的光線彎曲，就好像是一面透鏡放在觀測者和天體之間一樣，使觀察者看到的遙遠天體的圖像發(fā)生了畸變，這種現(xiàn)象被稱為引力透鏡效應（見圖3）。

假設我們觀測到的遠方星系物質(zhì)與我們之間隔著一層看不見的暗物質(zhì)，那么我們實際看到的就是被引力透鏡彎曲了的背景星系，這就可以判定造成光線彎曲的前景（暗物質(zhì)）的質(zhì)量分布。在觀測中實拍的宇宙圖片中，具有引力透鏡效果的例子是很多的，例如圖3中的那些弧形，就是引力透鏡效應的結果。經(jīng)過計算，前景星系（暗物質(zhì)）的質(zhì)量遠大于用光度推算的質(zhì)量。通過對引力透鏡現(xiàn)象的研究，人們發(fā)現(xiàn)了大量暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

其實有一些看不見的物質(zhì)，也不是什么大不了的事，比如在遙遠的太空也看不見我們的地球、水星、火星等其他一些自身不發(fā)光的星球。但是暗物質(zhì)是不一樣的，從實際計算和觀測發(fā)現(xiàn)，“看不見”的質(zhì)量遠遠比想象的大得太多，難以用一般的理論推測去解釋，故而才會被重視并命名為“暗物質(zhì)”。根據(jù)天文學的各種推算，組成星系團的質(zhì)量中，暗物質(zhì)的比例超過80%。

此外，關于暗物質(zhì)的研究進展，同學們還可以結合本期“太空課堂”欄目相關文章進行進一步的學習。最后，給同學們留下一個思考的問題：黑洞是暗物質(zhì)嗎？請發(fā)郵件到郵箱chinahou@bao.ac.cn，記得要寫清你的聯(lián)系信息（姓名、學校、電話等）哦，我們會按照你的要求，及時回復的。