环球热点！寻找星系守卫者

2023-03-31 15:14:46 来源：科普中国

星系，是宇宙中最壮观、最基本的组成部分，它们包含了大量的恒星、气体和尘埃。然而，在它们绚丽的外表下，实际上还隐藏宇宙中最黑暗的秘密。

几十年前，天文学家在观测旋涡星系时发现，在星系的外侧出现了十分不合理的现象：那里的物体移动实在是太快了！

牛顿和爱因斯坦的引力理论告诉我们：引力与距离的平方成反比。这意味着，那些远离质量最集中的星系中心的物体，所感受到的引力要比靠近星系中心的更弱，所以它们的运动速度也会更慢。然而，观测却表明天体的速度在超过特定距离后开始神奇地趋于平稳，而不是像理论预期那样下降。

(相关资料图)

这是非常令人惊奇的发现，如果在星系外侧的物体运行的速度如此之快，它们应该早就已经飞离星系的掌控，使星系分崩离析。但这样的事情并没有发生，为什么？究竟是什么在默默地守护着星系？这勾起了所有人的好奇。

我们先来考虑第一种可能性。

让我们首先回到100多年前。当时，天文学家勒维耶在分析了太阳系中天王星的轨道后发现，它的运行轨道与牛顿的引力理论所预测的不符。由于当时牛顿的理论已经取得了巨大的成功，因此没有人会去质疑这个基本理论。相反，勒维耶在经过详细的数学计算后预测，在天王星之外还存在另一颗未被发现的行星，影响着天王星。1846年，天文学家伽勒在勒维耶预言的位置不到1度的地方发现了缺失的质量——海王星。

同样的事情或许也发生在星系外侧。虽然包括恒星在内的所有可见物质的总和无法解释高速运动的天体，但如果那里有大量亮度远低于普通恒星的天体，比如褐矮星、红矮星、白矮星、中子星和黑洞，施加了额外的引力呢？然而，在经过大量搜寻后，天文学家发现这些天体的总量并不足以弥补缺失的质量。

接下来，我们来看看第二种可能性。

继海王星的成功之后，天文学家又发现水星的运动也存在异常。那么一个自然的推断是，在水星附近或许也存在一颗未被发现的行星。但是，在经过一番搜索后，没有人在水星附近找到另一个行星。当然，他们永远也找不到。因为这次，我们需要的是一个超越牛顿的全新引力理论。1915年，当爱因斯坦提出广义相对论后，水星的问题被完美地解决了。

那么，这是否意味着，在星系或更大的尺度下，其实是爱因斯坦的理论需要被修正？有可能，而且许多理论学家都在尝试，只是至今没有哪一个理论能够脱颖而出的宣布可以解决所有的问题。

现在，我们来看第三种可能性。在星系中，除了闪烁的恒星和发光的气体和尘埃这些普通物质之外，有没有可能还存在着大量看不见的物质，只通过引力与普通物质相互作用呢？这是非常有吸引力的想法，这些看不见的物质正是所谓的“暗物质”。也就是说，星系很可能被巨大而弥散的“暗物质晕”所笼罩，从而提供了额外的引力使星系能够维持稳定。

之后，所有的其他观测也都指向了宇宙中应当遍布着这些不发光、不吸收光、也不反射光的暗物质。计算表明，宇宙中有约85%的物质都是暗物质！

天文学家会通过一种被称为引力透镜的方法，来绘制暗物质在空间中的分布。我们知道，所有的物质都有质量，也就有引力，就会对周围的时空产生影响。根据爱因斯坦的理论，当遥远的背景星系发出的光线在经过离地球更近的前景星系时，前景星系的引力会扭曲周围的时空结构，所以光线的路径会发生弯曲，就好像被光学透镜所弯曲一样。从光线弯曲的程度，科学家可以推算出前景星系所包含的质量。结果表明，星系内的可见物质不足以解释光线的弯曲，所以必然存在大量的暗物质。

好，假设暗物质是真实存在的，那么它究竟是什么？理论学家认为，暗物质极有可能是一种或多种从未被发现的全新粒子。为此，他们提出了许多假想的候选粒子，但这些粒子的质量和性质都有着很大的不确定性。有一类理论预言暗物质由一种“弱相互作用大质量粒子”（WIMP）组成，由于能够自然的解释今天宇宙中观测到的暗物质密度而备受青睐。

目前，寻找这种暗物质粒子的方法共有三种。第一种是直接探测，科学家会在地底深处建造探测器，直接捕捉暗物质粒子与原子核碰撞的证据；第二种是间接探测，科学家会在伽马射线和中微子等数据中寻找暗物质粒子的湮灭或衰变的产物；第三种是对撞机探测，在对撞机中让高能粒子束对撞，直接产生暗物质粒子。

目前，我国不仅有锦屏地下实验室直接寻找暗物质粒子与原子核的碰撞，也有“悟空”号卫星通过间接手段寻找暗物质。除了弱相互作用大质量粒子之外，科学家当然也在积极寻找其他的候选粒子，比如轴子和惰性中微子等等。但到目前为止，暗物质的本质仍是一个巨大的谜团。

所以，究竟会是什么在守卫着星系？我们还不知道。我们所能做的就是保持好奇心，保持耐心，努力地去探索各种可能性。最终，我们或许会有意想不到的收获。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

团队名称：原理

审核：韩文标

出品：中国科协科普部

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