没有最黑，只有更黑，暗物质是如何被发现的？

　　昨天我在文章《比太阳还亮的黑洞，解决未来能源危机，全靠它 》一文中提到：只有几个太阳质量大小的黑洞的温度为十亿分之一开，但如果您以为，这已经是宇宙中黑暗极限的话，那么就大错特错了，宇宙中还有比这更黑的物质——暗物质，至今我们也不知道它们具体是什么。
　　相信小伙伴们一定会产生这样的疑问：既然不知道暗物质究竟是什么，那又怎么确定它们的存在呢？天文学家们是哪里来的自信，如此确信它们是存在的呢？这就必须要提到物理学在天文学中的应用了，因为天文发现并不是依靠观测，而是计算。
　　天狼星
　　首先我们要提一下天狼星，这是夜空中最亮的恒星，在春节前后的夜里22时，它出现在北半球南天下部，纬度越高，则越靠近地平线。
　　1844年，德国天文学家弗里德里希▪贝塞尔指出，天狼星自身运动的异常是因为有一颗我们看不到的伴侣星体的存在。18年后，随着天文望远镜制造水平的提高，天文学家们发现在天狼星附近有一颗白矮星。
　　天王星
　　另一个我们要提到的经典天文发现故事是关于天王星的。它是第一颗使用望远镜发现的行星。1781年3月13日，英国天文学家威廉·赫歇尔在自宅庭院中，利用自己设计的望远镜发现了这颗行星。我也曾在自己的102毫米口径的折射望远镜中，窥视到它淡蓝色的影子。
　　海王星
　　1846年，天文学家奥本▪勒维耶和约翰▪亚当斯发现天王星的轨道运动有些异常，似乎违背了牛顿万有引力定律，他们认为，这应该是由一颗我们还不知道的行星引起的。天文学家约翰▪加勒根据勒维耶的计算结果，在只比计算出的位置低1°的地方发现了一颗行星，这就是后来被命名的海王星。
　　我之所以要先提到这两个例子是想说明：正是因为对它们的观测和研究，增强了天文学家对物理学在天文学中应用的强烈自信——我们在地球上发现的物理定律，同样适用于广袤无垠的太空。天文学家是这么想的，也是这么干的。
　　有人把目光放到宇宙的深处，同样也有人希望搞清楚我们所在的太阳系。荷兰天文学家扬▪奥尔特就是如此，他希望弄清楚太阳所受到的银河系的引力影响。如果把这个问题，抛给现在正在读高中的理科生，他们会想出什么办法呢？
　　只要学过牛顿力学的人一定会想到，可以通过研究太阳附近恒星的运动来回答这个问题，很简单，因为F（引力）=mV^2/R=mω^2R。这个思路的前半部分是正确的，但后半部分有瑕疵。因为对于一个星系来说，直接观察旋转速度很难，但是观测恒星相对于圆盘面的垂直振荡比较容易。
　　银河
　　想象一下位于我们头顶，横跨南北的银河系，系内恒星的垂直盘面振动会更敏感，质量产生的引力会成为恒星在自身位置上振荡的回复力，效果就跟弹簧差不多。而在盘面方向的旋转，由于引力与离心力平衡，则运动变化不容易被发现。
　　1932年，奥尔特通过对观测结果进行计算发现：要解释这些恒星的运动，普通物质仅仅占了所需物质数量的一半。
　　1933年，瑞士裔美国天文学家弗里茨▪兹威基对后发座星系团中速度的分布做了研究，他发现，要想解释清楚测量得到的速度，其所需要的产生引力的质量是星系团质量的10倍。由此，＂质量缺失＂的迷雾在天文学中产生，并且在此后50年内毫无进展。
　　随着时间的前进，天体测量卫星依巴谷测量了12万颗恒星的数据，而2013年12月发射的盖亚天体测量卫星则测量了接近10亿颗恒星的数据。测量表明＂质量缺失＂普遍存在于星系和星系团的范围之内，甚至包括整个宇宙也是如此。
　　前面介绍的这种测量方法可以称作是直接观测，因为它不依赖恒星发出光线的波长。另一种方法是依据光谱学的办法来研究类似银河系这样螺旋星系的旋转。这种办法就是依据观测到的圆盘上恒星光线的多普勒频移，依靠恒星与旋转中心的距离算出圆盘的转速。进一步就可以推算出整个圆盘的引力场及其质量分布。
　　接下来要做的就是将这个结果与恒星亮度的限定值进行比对，随着与星系中心距离的增加，这个亮度依照指数曲线减小，大部分质量应该位于靠近中心的区域。如果这个假设正确，那么旋转速度在远离星系中心时会先增长，然后在距离更远的时候，速度迅速下降。
　　但这个计算结果与观测事实明显不符：星系圆盘的旋转速度在远离中心时会先增长，之后速度并没有降低，而是基本保持恒定。这意味着，有大量的质量分布于低光或不相关的区域内，甚至是星系圆盘之外。
　　通过直接测量得到的星系旋转曲线与通过从发光物质分布推导出的旋转曲线不同。天文学家对数以千计的星系系统的研究表明，这种观测和计算上的不同是普遍存在的。这一发现就是暗物质假说的起源。
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