[科普中国]-看不见的暗物质是如何被发现的？

今天，暗物质的存在已经成为科学界的共识，许多科学家致力于暗物质的观测和研究。我国也发射了专门的暗物质粒子探测卫星——悟空。那么，暗物质是如何被发现和命名的呢？这要从天文学家茨威基极其认真的大量观测与极富想象力的大胆推测说起。
茨威基的观测与推测
二十世纪30年代早期，供职于加州理工大学的瑞士天文学家茨威基（Fritz Zwicky）研究后发座星系团（Coma Cluster）的星系运动时，发现了暗物质的引力效应。后发座星系团由约1000个星系组成。引力将不同的星系“约束”成团，也就是星系团。与太阳系不同，这些星系不围绕类似于太阳的大质量中心物体转动，其运动轨道更加复杂。

茨威基在望远镜前进行观测

茨威基说服加州理工大学建造了一个18英寸的施密特望远镜，以便用单张广角照片拍摄到大量星系。茨威基用新设备对后发座星系团中的所有星系进行观测，并通过测量这些星系光谱的多普勒频移计算出其运动速度，之后应用了维里定理（virial theorem）。维里定理将做轨道运动的物体的速度与其所受的引力关联起来。牛顿的理论告诉我们，引力和物体质量成正比，茨威基依据他测量的星系速度推算出后发座星系团的质量。

为暗物质提供最早证据的后发座星系团

茨威基还计算了后发座星系团中所有星系的光输出量的总和（包括万亿颗恒星）。他将后发座星系团的质光比（光输出量的总和与总质量的比）与附近的卡普坦恒星系（Kapteynstellar system）进行比较，发现单颗卡普坦星每个质量单位的光输出量是后发座星系团的100多倍。茨威基由此推测，后发座星系团中包含大量不发光的物质，他将其称为“暗物质”。
换个角度来解读
已故的著名天体物理学家、中科院院士陆埮曾总结道，有两种测量宇宙质量的方法——力学方法和光度方法。力学方法可以测量出物质的总质量，光度方法可以测量出发光物质的总质量。
各种测量都表明，力学方法所测出的质量远远大于光度方法所测出的质量。而且，探测的范围越大，测量结果差别越大。
如果在被观测区域，只存在那些可观测到的发光物质，是无法解释这种差别的。于是有人提出了“暗物质”这一概念，也就是说，在这些区域，存在一些有质量的物质，是不发光的。一开始，还有持其他意见的学者认为不存在暗物质，他们提出，采用修改引力定律的方法，也能够解释这两种测量结果的差异，但随着观测结果的增多，这种修改变得越来越困难，也更加证明了暗物质的存在。
我们可以得出结论：宇宙中存在大量暗物质，而且范围越大，暗物质比发光物质多出的量就越多。