宇宙“幽灵”——暗物质

如果有人问你物质是什么，你会怎么回答？物质是你正在阅读的杂志、手边的杯子，抑或是正坐着的椅子？事实上，我们目之所及的一切都是物质。但是，这些“物质”就构成宇宙的全部了吗？

消失的质量

早在大约100年前，科学家们就在思考上面的那个问题。1932年，爱因斯坦和荷兰的天体物理学家威廉·德西特共同发表了一篇论文。在这篇论文中，他们推断宇宙中可能存在大量“看不见的物质”。爱因斯坦通过计算发现，宇宙在大爆炸后，经过不断的演变，今天终于能够趋于稳定，是因为物质的平均密度至少达到了5×10-30克/立方厘米，而这个数字比我们实际观测到的宇宙物质平均密度整整高了100倍！据此，两位科学家认为，宇宙中应该不仅只有我们能够观测到的那一部分物质，还有更多的物质是我们无法看到的。无独有偶，一年后，瑞士天文学家兹威基在推算后发座星系团质量时，使用两种方法算出的星系团质量竟然相差160倍！由此，他也认为这代表着星系团中存在着大量我们未观测到的物质，并且在自己的论文中把这种物质命名为“暗物质”。

然而，这些在计算中“消失”的质量并未引起科学界的关注。直到五十年后，另一个更轰动的证据的出现，才让人们真正认识到：宇宙中有大量的物质“不见了”。

寻找天体背后的神秘“推手”我们都知道，引力与距离有关。所以在太阳系中，距离太阳越远的天体受到的引力越小，绕太阳公转的速度也就越慢。比如在太阳系八大行星中，距离太阳最近的水星平均公转速度大约是47千米/秒，而距离太阳最远的海王星平均公转速度却只有约5千米/秒。根据这一现象，人们推断星系中的恒星应该也遵循着同样的定律：距离星系核越远的恒星，围绕星系核运转的速度就越慢。20世纪70年代，美国天文学家薇拉·鲁宾在观测仙女座大星系中的恒星旋转速度时发现，在旋涡星系中恒星的公转速度竟然不随距离的增加而减小，而是几乎保持不变。是什么使星系中的恒星在远离星系核的地方也能保持旋转速度呢？薇拉·鲁宾认为应该就是星系中存在的大量不可见的物质为恒星的高速旋转提供了足够的引力。虽然阴差阳错，让大家真正意识到暗物质存在的薇拉·鲁宾并未获得诺贝尔奖，但是她却豁达地表示：“名气只是转瞬即逝的流星，我的数据比我的名字拥有更多意义。如果天文学家今后还在用我的数据，这就是对我最大的恭维了。”

尽管薇拉·鲁宾的观测足以证明，我们的宇宙中存在某种神秘的暗物质，它能够参与星系的构成，为恒星提供足够的引力。可它究竟是什么？又有什么特性？我们要怎样才能观测到这种“看不见的物质”？科学家们遇到了难题。

后来，科学家们想到了一个间接观测的方法——引力透镜法。薇拉·鲁宾的观测除了证明宇宙中存在大量的暗物质外，还告诉我们另一个信息：虽然暗物质基本不发出任何电磁辐射，也基本不和普通物质发生相互作用，但它却能和普通物质一样参与引力作用。也就是说，我们虽然不能直接观测到暗物质，却可以通过观测暗物质对普通物质产生的引力影响，间接地观测它。这就好比我们看不到风，却可以通过被风吹动的旗帜来观测风向。

那么科学家们如何观测宇宙中的暗物质对普通物质的影响呢？这就要说到“引力透镜法”了。伟大的科学家爱因斯坦告诉我们：物质可以使时空弯曲，并且物质的质量越大，时空弯曲的程度就越大。时空弯曲了，在时空中穿梭的光线反应当然最明显，本应直线行走的光线发生了偏折，于是人们将弯曲的时空比喻为日常生活中同样能使光线偏折的“透镜”，并将这种时空弯曲使光线偏折的现象称为“引力透镜效应”。

讲到这里，引力透镜法是否已经呼之欲出？没错，其实我们只要观测到天体发出的光线在通过一个看似虚空的区域时发生了偏折，那我们就可以猜测这个区域中有暗物质存在。不仅如此，我们还可以通过观测光线的弯曲程度，间接地推断这个区域暗物质的质量大小。

2007年，科学家们在观测室女座星系群时，偶然发现了一个十分奇怪的区域。这个名叫VIRGOHI 21的区域看似一片虚空，却对周围的星系有很强的引力作用。后来，科学家们通过精确测量这一区域中的物质质量分布，惊讶地发现：VIRGOHI 21的质量虽然和普通星系类似（约为太阳的1 000亿倍），但却是一个完全由暗物质构成的暗星系，其中不存在任何恒星或行星，也没有任何可以构成可见天体的普通物质。

探测暗物质方法多除了引力透镜法以外，人们也找到越来越多的方法来探测暗物质。

1.地下探测。科学家们尝试在地下数千米深的地方建地下实验室，通过岩石隔绝宇宙中的噪声，以期能够直接接收暗物质打在接收屏上的微弱信号。现在，全世界已经建成十几个这样的实验室，在我国四川锦屏山下就有一个目前世界上最深、宇宙噪声最小的地下实验室。不过，人类依靠地下实验室探测暗物质已有近30年的时间，但一直没有探测到令人信服的暗物质信号。

2.卫星探测。虽然暗物质并不会和普通物质相互作用，但它们却会相互碰撞而湮灭，产生我们熟悉的电子、质子、光子等普通物质。如果卫星能够探测到比预期强度更高的宇宙信号，那这个信号就很有可能源于暗物质粒子的湮灭。2015年，我国发射的人类第一颗暗物质粒子探测卫星——悟空号，就是利用这一间接方法来探测暗物质信号的。

虽然说科学家们已经通过种种手段，判断出宇宙中存在大量暗物质，但从发现至今，我们对暗物质仍然知之甚少。迄今为止，我们只能勾勒出暗物质的简单轮廓：它的质量大概占宇宙总质量的四分之一；它应该是一种全新的、不同于我们认知的任何一种普通物质的粒子；它有一定的质量，并且能够参与引力作用；它是高度稳定的，几乎不与普通物质发生反应，也几乎不会发出、反射或者辐射任何电磁波；它的运动速度应该远低于光速，这样才能让宇宙保持稳定，形成如今的宇宙结构。

总结完暗物质的特征，你是不是也发现，暗物质就像宇宙中披着隐身衣的幽灵，我们无法直接观测到它，只能通过它对普通物质产生的影响来研究它。为了探测这个宇宙“幽灵”，科学家们付出了很多努力。虽说现在并不能确认暗物质究竟是什么，但通过对它的研究，科学家们可以更加了解宇宙的结构与本质。未来，相信暗物质还会为我们讲述更多宇宙故事。

所谓“看不见的物质”就是不会发出电磁辐射的物质。