普通物质是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看得着的东西,即使藏身于最黑暗的角落,只要有光照总能发现它们。
谁最先发现了暗物质呢?二十世纪30年代,瑞士天文学家茨威基(Fritz Zwicky,1898-1974)(左图)发表了一个惊人结果:在星系团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的。茨威基首先发现了暗物质的存在,他的发现大大推动了物理学的发展,他对科学的重大贡献是不可估量的。但当时许多人并不相信茨威基的结果。由于暗物质根本不与光发生作用,更不会发光,在天文上用光的手段绝对看不到暗物质。(右图为兹威基正在望远镜前观察)
万物之间存在万有引力,太阳系的九大行星围绕太阳旋转(左图),越往外其转动的速度越低,比如地球绕日速度是每秒30公里,高于火星,而火星的速度又高于位于它之外的木星,这是典型的中间有一颗大恒星的行星系表现。
二十世纪70年代初,科学家在观测宇宙其他一些星系(包括银河系(右图))中的恒星运行速度时就发现,越往外,围绕中心的速度并不都是衰减下去,而是和内圈恒星的速度差不多。这与越往外,物质越少,引力也越小,速度也应该越低的常规不符。由此反推,此时虽然外圈的那些能被直接观测到、数出来的星星数目变少了,但其实内部的物质数量并没有减少,引力也没有变小,只不过观测不到而已,科学家们大胆地猜测:宇宙中一定有某些物质没有被我们的天文观测所发现,这些物质被称为“暗物质”。
UGC10214星系是天文学家们发现的一个典型例子(左图),其中的物质不停地向它自己的外围流出,但在其外围却看不到任何别的星系存在。据猜测,该星系的旁边存在着一种“暗星系”,这些物质流就是在暗星系引力的作用下才流出来的。
科学家认为,通过测量物体围绕星系转动的速度可以找到暗物质存在的证据。根据人造卫星运行的速度和高度,就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离,就可以测出太阳的总质量。同理,根据物体(星体或气团)围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离,就可以估算出星系范围内的总质量。计算的结果发现,星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和,推算的结果:星系中的暗物质约占宇宙物质总量的20-30%。
暗物质的物理组成到底是什么?科学家们早先推测它可能由一种不带电的、质量很轻的、数目繁多的中微子构成,中微子的运动速度很快,可称之热暗物质;相对的,候选者还有可能是种质量大的、运动慢、引力大的冷暗物质粒子。天文学家后来在实际的观测和计算当中发现,答案更倾向于后者。冷暗物质粒子很可能是宇宙早期遗留下来的稳定、只有弱作用的重粒子(WIMP)。
2003年7月28日,以享克-霍克斯特(Henk Hoekstra)为首的加拿大多伦多大学(York University in Toronto)的天文学家成功测出了看不见的星系光晕(Dark matter halos)(也称晕圈,星系光环)的大小并确定了其形状(左图)。根据最新的天文学理论,这些星系由暗物质构成。多伦多大学的天文学家解释称,这些光晕的体积要比看得见的星系(也就是发光物质——星体)体积大5—8倍。
享克-霍克斯特与他的同事霍华德-伊(Howard Yee),以及目前在加利福尼亚帕萨迪纳(Pasadena)天文台工作的迈克尔-哥拉德(Michael Gladders)等在各自的研究中都运用了“引力透镜”(gravitational lens)效应(即质量庞大的天体通过引力作用使其它光源发出的光线在行进过程中发生偏离和扭曲)(右图)。天文学家们通过测算光线与光源之间的偏移度就可以对那些借助任何仪器都难以观察得到的天体进行研究。
天文学家利用1亿像素的数码照相机和安装在夏威夷岛上的大功率天文望远镜(Keck)(左图),对150多万个被附近12万个星系的“引力透镜”所扭曲的遥远星系的形状进行了研究。这一研究过程从1999年开始持续了两年,然后又花了两年时间对所获取的数据进行处理。最后得出结论:这些看不到的光晕被急剧“削弱”而形成鸡蛋状或橄榄球状。
享克-霍克斯特还指出,我们所在的星系—银河系的光晕超过50万光年,其质量约为太阳的8800亿倍。
这一研究数据再次证实了当前被天文学界普遍接受的理论——宇宙充满着“冷暗物质”,也就是运动较缓慢的微粒(与快速运动的“热”微粒相区别)(“热暗物质”占的比例极小)。这一研究结果还为其它宇宙模式理论给予了必要的冲击。因为目前一些科学家试图发展另外一种学说,即不存在任何暗物质,所观测到的“引力透镜”现象也只是星系中普通物质万有引力定律的特殊情况。但享克-霍克斯特教授相信,他们的研究工作将最终推翻这种学说。 |