下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
1932年，瑞士籍天文学家扎维奇（Fritz Zwicky）在观测旋涡星系旋转速度时，发现星系盘的旋转速度相当快。而根据万有引力定律或位力定理
（等号左侧为动能，右侧为势能），星系盘的旋转速度，应随着半径r的增大而下降。由此推断，星系盘的引力远大于牛顿引力（牛顿引力与距星系中心的距离平方成反比），推测必有大量未被观测到的神秘物质，使星系盘不致因离心力过大而被破坏。扎维奇首次称这些神秘物质为暗物质。
20世纪70年代后，随着科学技术的发展，人们获得了银河系和一些临近星系的旋转曲线（距离星系中心不同距离处的恒星或气体，绕星系中心旋转的速度图像），总体上趋于恒值，如图2-1（其中虚线为由位力定理得到的曲线），由此暗物质理论被广泛接受。国际暗物质研究开始升温，并将暗物质分为两种：一种是由不发光的星际气体、死亡冷却恒星、黑洞等构成的重子暗物质。另一种是除引力外，是否还参与其他作用不详的非重子暗物质，即通常意义的暗物质。
图2-1 一些旋涡星系的旋转曲线
由于万有引力定律或位力定理针对的是二体问题，其能否直接用于含有众多恒星等天体的旋涡星系盘，并没有得到证明，所以扎维奇的分析显然非常粗糙。目前对暗物质的理论研究，采用了比扎维奇时代更为准确的算法，即根据星系盘与有限薄圆盘极（有限盘）极为相近的特性，将星系等效为有限盘。如此，只需求解出有限盘的引力场分布规律，星系的旋转曲线问题便容易解决了。但是，由于有限盘在数学上遭遇到了解椭圆积分困难，问题至今也没能得到很好的解决，成了 “引力理论的一个基本问题” 。
目前，在天体力学中，被认为最精确的办法，就是使用半径无穷大的无限盘上任意点的引力势表达式，为：
（2-1）
式（2-1）中，
为盘面上某点坐标，
为空间任意观察点坐标，
为盘面的质量密度。
由于式（2-1）涉及椭圆函数积分，目前也只能得到几种密度分布的引力势解。其中最适合的解为，假设盘面密度按指数规律衰减 [1] ，然后采取人为截断方式（忽略远离盘中心的小密度物质），处理成有限盘形式，以对应星系盘结构。为了得到平直的星系旋转曲线，又不得不在该模式的基础上，再次引入假设，即星系盘外存在大量球状分布的晕状暗物质。认为唯有如此，才能解释星系盘在动力学上的稳定性，这就是目前公认的暗物质理论证据。
引力透镜效应是爱因斯坦用广义相对论预言的一种现象，即在观测者至光源的视线上，如果存在一个大质量前置天体，则 光线 将在前置天体附近发生弯曲，使光源形成两个或多个像，这种现象称之为引力透镜效应。在引力透镜的作用下，远方天体像的亮度分布会发生各种变化，或增强，或畸变，或形成环（爱因斯坦环），或放大，如图2-2。前置天体可能是拥有巨型黑洞的星系、星系团，也可能是非重子暗物质。由于暗物质被认为除引力作用外，不发出任何辐射而不能被直接观测到，所以通过引力透镜效应可分析出暗物质的空间分布，于是引力透镜效应被称为发现宇宙暗物质的探针。
图2-2 引力透镜示意图
2006年8月21日，钱德拉X射线和哈勃光学空间望远镜，公布了位于船底座距地球38亿光年的子弹星系团1E0657-56的两个子星系团，在垂直于视线方向上刚刚发生过的一场高速碰撞照片。将两种不同方式拍摄的照片重叠后，发现高温普通物质（X射线波段观测）和“暗物质（根据引力透镜效应观测）”对称的分离了，且暗物质在前，普通物质在后 [2] ，如图2-3（可下载彩色图片，效果更直观）。分析认为，普通物质之间因发生碰撞而形成阻滞作用，使运动速度变慢，而暗物质之间因相互作用很弱，可以彼此穿过，所以暗物质比普通物质分离得更远一些。后来哈勃和钱德拉望远镜又公布了几张其他星系团碰撞的类似照片，如猎户座Abell 520星系团，鲸鱼座MACSJ0025.4-1222星系团，这些都被认作是暗物质存在的“直接证据”。
图2-3 两个子星系团刚刚发生过的高速碰撞（2、3圆内为高温普通物质，1、4员内为暗物质）
2007年5月15日，哈勃望远镜公布了星系团CL0024+17拥有暗物质环的图像，环径达260万光年，如图2-4。该星系团位于双鱼座，距离地球约50亿光年。图中的暗物质环是根据它产生的引力透镜效应照片分析、描绘出来的。照片由哈勃望远镜于2004年11月拍摄，使用6种不同波长的滤光片，曝光14小时。
图2-4 CL0024+17拥有暗物质环的像
之后，干脆又对宇宙大尺度结构的观测，微波背景辐射等，也都归结为了暗物质的存在证据。