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暗物质研究进展及困惑已有1人参与
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1933年，天体物理学家弗里茨·兹威基研究了“后发座星系团”中8个星系的质量。他估计星系团的质量采用了两种不同的方法：力学质量和光度质量。在估计了行星等一些看不见的质量之后，假如遥远星空的质量大致是“所见即所得”，那这两个质量应该差不多。然而，计算出来的结果是力学质量比光度质量高了400倍左右。换言之，力学质量里的绝大部分是我们看不到（不发光）的物质。如果没有这部分“看不见的物质”的作用，那么这个星系团的引力就不足以将其中的星系像现在这样束缚在一起。 1936年，天文学家辛克莱尔·史密斯讨论了他在“处女座星系团”中注意到的相同情形，提出存在“星系团内部大质量的星云间物质”。而且，即使把气体、尘埃、等离子体、类恒星天体和行星计算进来，也只增加了15%的质量，远远不够填补“空缺”。相比用光度推测的质量计算的结果，“后发座星系团”中星系跑得太快了。 20世纪60-70年代，女天文学家薇拉·鲁宾对“仙女座大星系（M31）”的星系旋转曲线进行了测量，简单来说就是测量距离星系中心不同半径处物质的旋转速度，发现观测出来的旋转曲线：离星系中心不同距离处的气体，围绕中心旋转的速度都差不多，星系外围的绕转速度明显比计算得到的要快很多。她又观测了其他星系，1978年的论文中他们观测的其他8个星系的旋转曲线全部都是平直的。而随后其他射电天文学家们对25个其他星系的观测中，有22个星系的旋转曲线都是平直的。科学家们有理由认为，宇宙中存在着我们看不到的物质，为弥散于星系各处的气体提供着引力。 20世纪80年代，科学家正式提出了“暗物质”这个名称，来形象的指代那些“观测之外”的物质。 之后我们探测暗物质，越来越多的是透过所谓“引力透镜” [2]，也即是因为有巨大质量物质的存在，使得光线发生弯曲（广义相对论），那么通过研究我们看到的被引力透镜弯曲了的背景星系，就可以判定造成光线弯曲的前景星系的质量分布。经过计算，前景星系的质量远大于用光度推算的质量。 星系的平直型旋转曲线以及引力透镜效应观测结果都明确表明有巨大的未知引力源存在，人们把它形象的称为“暗物质”。其实“暗物质”这个称谓容易误导人，也并不准确，甚至有些科普读物这样定义暗物质[3]：“暗物质(Dark Matter)是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分，密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，它们代表了宇宙中26%的物质含量。”暗物质是什么我们都还不知道，怎么能这样来定义呢？这不严谨和科学。 尽管研究了几十年，而到目前为止，人们也只观测到星系中普遍存在来历不明的巨大引力，而观测不到除引力之外的其它作用，按常规习惯思维，能产生引力的引力源就是物质，我们又看不到它，所以干脆把它称为“暗物质”。普通物质由重子粒子组成，与之对应，看不见的物质（暗物质）自然假设为非重子粒子组成。 现在观测到的暗物质存在的证据还包括：1、宇宙大尺度结构形成理论和观测表明，仅靠重子物质远远不足以使宇宙形成现在的结构，如果没有暗物质存在提供的巨大的引力，星系就会散架。2、观测表明，星系群和星系团都存在温度高达上亿度的高温热气体，若无暗物质引力场束缚，这些高温气体早已经逃逸到宇宙空间。 研究暗物质的实质就是探寻未知引力源，而且这种引力源不是可见重子物质产生的。为了解释未知引力的来源，不外乎有以下三个思路：1、修改星系重子物质质量分布，以适应观测到的引力场分布； 2、修改引力理论，以解释观测到的异常引力分布；3、搜寻非重子粒子，用“暗物质”来解释观测到的引力场分布。几十年来，研究暗物质的论文上万篇，都可以归结为上述三个思路。随着研究的深入，前1、2项思路展开的研究难以得到实验观测的支持，研究的人相对较少，而第3项非重子粒子方向似乎最有希望，成为当前研究的重点和热点，各科技强国投入巨大的人力物力，开展了几十个大型实验，但都没有取得实质性进展[4]。 依据星系旋转曲线的观测数据，根据万有引力定律，通过数值拟合的方法[5]，可以得到星系暗物质分布图。 暗物质不发出任何辐射，不能被直接观测到，但它具有巨大的质量，而且是星系质量的主体，能产生明显的引力透镜效应。通过引力透镜效应就能分析出前景星系的暗物质空间分布[6]。2017年8月16日和8月27日，“哈勃”和“钱德拉”望远镜分别公布了两张根据引力透镜效应通过模拟和逆解题技术分析出的星系暗物质分布照片：猎户座Abell 520 星系团，距离24亿光年；鲸鱼座MACSJ0025-1222星系团，距离59亿光年。照片中蓝色区域属于星系中的暗物质，红色区域属于普通物质。星系旋转曲线拟合出的暗物质分布图与引力透镜测绘出来的暗物质分布图符合得很好，这两张照片使科学家们确信这是暗物质存在的直接证据。 不过，我们高兴得可能太早了，这些证据有两个致命的不足： 其一，上述“星系旋转曲线数值拟合”和“引力透镜测绘”两种方法，根据其原理，解析拟合出来的并不是“暗物质”本身，而是星系引力场分布，即使我们观测的数据是准确的，数值分析也是正确的，它也只反映了星系引力场分布状况，怎么能把星系引力场分布等同于暗物质呢？只能说星系引力场分布与星系暗物质可能密切相关。 其二，更大的问题还在于，星系旋转曲线拟合出的暗物质分布图与引力透镜测绘出来的暗物质分布图，都显示暗物质分布在星系外围，基本上不与普通物质重合，而是呈分离状态。我们知道，暗物质的质量是普通物质的好几倍，且暗物质与普通物质均遵循引力定律。根据引力定律，星系旋转的质心自然就该由质量更大的暗物质主导，星系旋转的质心就应该是暗物质的质量中心[7]，如果我们现在根据引力透镜测绘出来的暗物质存在的“直接证据”正确无误，星系的旋转质心就不应是现在观测到的星系中心。星系的质心变了，就更无法解释我们现在观测到的星系及宇宙的模样。 之所以出现上述两个问题，“星系旋转曲线数值拟合”和“引力透镜测绘”两种方法，都是以“星系异常引力”均是由“暗物质”产生的为假设前提的，在这个假设前提下应用引力定律论证，其内在逻辑其实是循环论证[8]，“星系引力异常”与“暗物质”在相互印证，而且还排除了其它可能，如果这个前提假设不成立，其结论自然是错误的，就一定会与观测事实有冲突。反过来，如果其结论与观测事实符合得很好，说明这个假设正确的概率就很大。现在其结论与观测事实有冲突，说明我们假设的前提可能就错了。 总结起来就一句话：我们解决问题的思路可能有问题。这种思路不但没有解决星系旋转曲线和引力透镜观测显示的异常引力问题，而且还引出了星系旋转的质心问题。 意识到可能解决问题的思路有问题的有不少物理学家。物理学家们根据未经证实的理论推测出假想中的暗物质粒子（非重子粒子），这些理论和假设不下十几种，物理学家们心里清楚，这些理论和假设既使有可能正确，最多也只有一两种正确，就是说这些同一个思路的理论和假设注定绝大多数甚至全部都是错误的。各国集中巨大物力人力，开展了几十个大型实验，坚持不懈了几十年，仍一无所获。我们对暗物质的属性揣摩了几十年仍然显得无尚迷茫，很多参与实验的物理学家纷纷反思，可能是我们的基本思路出了问题，就象“以太”一样，我们煞费苦心寻找的可能是一种并不存在的东西。这是暗物质粒子探寻必须面对的现实。 综上所述，我们对暗物质的研究，尽管做出了巨大努力，在异常引力源探索和非重子粒子探索两个方向上，均未取得实质性突破，暗物质是什么？仍不清楚。 |
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