暗物質(zhì)，就其本質(zhì)而言，是看不見的，用望遠鏡也無法觀察暗物質(zhì)，粒子物理學家也沒有通過實驗發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)。那么，為什么大多數(shù)科學家及主流理論都相信并支持宇宙的大部分質(zhì)量是由暗物質(zhì)組成，而不是由恒星、行星和我們天空中所有其他可見物體組成的常規(guī)物質(zhì)？要回答這個問題，需要理解暗物質(zhì)能做什么，不能做什么，理解它潛伏在宇宙中的什么地方，并意識到“暗”只是謎題的開始。
暗物質(zhì)故事從速度和引力開始，在整個宇宙中，我們看到物體在引力的影響下在軌道上運行，就像地球繞著太陽轉一樣，太陽也繞著銀河系的中心轉。將天體保持在軌道上所需速度是質(zhì)量和距離的函數(shù)。例如，在太陽系中，地球以每秒30公里的速度運行，而最遙遠的行星則以每秒數(shù)公里的速度磨蹭。銀河系非常巨大，所以太陽以每秒230公里的速度運行，盡管距離銀河系中心有26700光年。然而，當我們離銀河系中心更遠時，恒星的軌道速度大致保持不變，這是為什么？
與太陽系不同，我們的太陽系質(zhì)量是由太陽主導，銀河系的質(zhì)量分布在數(shù)千光年之間。當一個移動到離銀河系中心更遠的地方時，包圍在這個半徑內(nèi)的恒星和氣體就會增加。這個額外的質(zhì)量能解釋銀河系中最遙遠恒星的巨大速度嗎？這也不完全是。在20世紀60年代，天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)測量了仙女座星系的軌道速度，距離該星系核心7萬光年。值得注意的是，盡管這一距離遠遠超出了仙女座的大部分恒星和氣體，但軌道速度仍然保持在250公里/秒左右。
這種現(xiàn)象也不是個別星系所獨有，早在20世紀30年代，瑞士裔美國天文學家弗里茨·茲維基(Fritz Zwicky)發(fā)現(xiàn)，在星系團內(nèi)運行的星系運動速度遠遠快于預期。到底怎么回事？一種可能是大量看不見的質(zhì)量延伸到恒星和氣體之外，這也許就是暗物質(zhì)。事實上，Zwicky，Rubin和隨后幾代天文學家的研究表明，宇宙中的暗物質(zhì)比傳統(tǒng)物質(zhì)更多（至于暗能量，那就完全是另一回事了）。值得注意的是，我們無法看到或探測暗物質(zhì)提供了關于它如何行為的線索。除了引力之外，暗物質(zhì)與自身和常規(guī)物質(zhì)之間的相互作用一定很少。
否則我們就會檢測到它發(fā)出光，并與其他粒子相互作用。由于暗物質(zhì)大多單獨通過引力相互作用，因此它具有一些奇怪的性質(zhì)。太空中的熱氣云可以通過發(fā)光而失去能量，從而冷卻下來。足夠大質(zhì)量和足夠冷的氣體云可以在自身引力下塌縮形成恒星。相比之下，暗物質(zhì)不會因發(fā)光而失去能量。因此，雖然傳統(tǒng)物質(zhì)可以塌縮成致密的物體，如恒星和行星，但暗物質(zhì)仍然更彌散，這解釋了一個明顯的矛盾。雖然暗物質(zhì)可能主宰著宇宙的質(zhì)量，但科學家并不認為在我們的太陽系中有太多暗物質(zhì)。
由于暗物質(zhì)的運動完全由引力控制，因此，通過解析和模擬來建模也相對容易。自20世紀70年代以來，已經(jīng)有了暗物質(zhì)結構數(shù)量的公式，這也恰好預測了大質(zhì)量星系和星系團的數(shù)量。此外，模擬可以模擬整個宇宙歷史中結構的形成。暗物質(zhì)模擬不僅適合數(shù)據(jù)，它還具有預測能力。有沒有暗物質(zhì)的替代？科學家利用引力推斷它的存在，但如果對引力的理解是錯誤的呢？也許引力在很遠的距離上比我們想象的更強。
有幾種不同的引力理論，莫爾德海·米爾格羅姆的修正牛頓動力學(Mond)是最著名的例子。如何區(qū)分暗物質(zhì)和修正的引力？在大多數(shù)理論中，引力傾向于質(zhì)量。因此，如果沒有暗物質(zhì)，引力就會向傳統(tǒng)物質(zhì)拉動，而如果暗物質(zhì)占主導地位，那么引力將主要向暗物質(zhì)拉動。所以應該很容易分辨出哪個理論是正確的，但不完全是，因為暗物質(zhì)和常規(guī)物質(zhì)大致上是彼此相隨，但也有一些有用的例外，一起粉碎氣體和暗物質(zhì)的云，就會發(fā)生一些奇妙的事情。
氣體碰撞形成一個單一的云，而暗物質(zhì)粒子只是在引力的影響下繼續(xù)移動，當星系團以極快的速度相互碰撞時，就會發(fā)生這種情況。那如何測量碰撞星系團中的引力？引力不僅對質(zhì)量有這種“拉力”，而且對光也有拉力，所以扭曲的星系圖像可以追蹤力拉力（在相對論中這是扭曲空的結果）。在碰撞的星系團中，引力會拉向暗物質(zhì)應該在的地方，而不是傳統(tǒng)的物質(zhì)。
不僅可以看到今天暗物質(zhì)的影響，還可以看到遙遠的過去，就在宇宙大爆炸之前。宇宙微波背景，大爆炸的余輝，可以從四面八方看到，在這宇宙大爆炸中，可以看到漣漪，時間的漣漪通過電離氣體傳播的結果。這些漣漪是早期宇宙中引力、壓力和溫度相互作用的結果。暗物質(zhì)有助于引力，但不像常規(guī)物質(zhì)那樣對溫度和壓力做出響應，因此漣漪的強度取決于常規(guī)物質(zhì)與暗物質(zhì)的比例。正如預期的那樣，衛(wèi)星和地面天文臺對這些漣漪的測量顯示，宇宙中存在比常規(guī)物質(zhì)更多的暗物質(zhì)。
那有答案了嗎？暗物質(zhì)肯定是答案嗎？大多數(shù)天文學家會說，對于我們在宇宙中看到的許多現(xiàn)象，暗物質(zhì)是最簡單和最好的解釋。雖然最簡單的暗物質(zhì)模型存在潛在的問題，例如小型衛(wèi)星星系的數(shù)量，但它們是有趣的問題，而不是引人注目的缺陷。但事實仍然是，還沒有直接探測到暗物質(zhì)。這并不是特別困擾科學家，因為物理學已經(jīng)有了粒子的歷史，這些粒子已經(jīng)花費了幾十年的時間才能直接探測到。如果20年后我們還沒有檢測到暗物質(zhì)，可能會擔心，但現(xiàn)在的暗物質(zhì)理論才是真正的最佳答案。
博科園｜文：Michael J. I. Brown/The Conversation
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