昨天我在文章《比太陽還亮的黑洞，解決未來能源危機，全靠它 》一文中提到：只有幾個太陽質量大小的黑洞的溫度為十億分之一開，但如果您以為，這已經(jīng)是宇宙中黑暗極限的話，那么就大錯特錯了，宇宙中還有比這更黑的物質——暗物質，至今我們也不知道它們具體是什么。

相信小伙伴們一定會產生這樣的疑問：既然不知道暗物質究竟是什么，那又怎么確定它們的存在呢？天文學家們是哪里來的自信，如此確信它們是存在的呢？這就必須要提到物理學在天文學中的應用了，因為天文發(fā)現(xiàn)并不是依靠觀測，而是計算。

天狼星

首先我們要提一下天狼星，這是夜空中最亮的恒星，在春節(jié)前后的夜里22時，它出現(xiàn)在北半球南天下部，緯度越高，則越靠近地平線。

1844年，德國天文學家弗里德里希?貝塞爾指出，天狼星自身運動的異常是因為有一顆我們看不到的伴侶星體的存在。18年后，隨著天文望遠鏡制造水平的提高，天文學家們發(fā)現(xiàn)在天狼星附近有一顆白矮星。

天王星

另一個我們要提到的經(jīng)典天文發(fā)現(xiàn)故事是關于天王星的。它是第一顆使用望遠鏡發(fā)現(xiàn)的行星。1781年3月13日，英國天文學家威廉·赫歇爾在自宅庭院中，利用自己設計的望遠鏡發(fā)現(xiàn)了這顆行星。我也曾在自己的102毫米口徑的折射望遠鏡中，窺視到它淡藍色的影子。

海王星

1846年，天文學家奧本?勒維耶和約翰?亞當斯發(fā)現(xiàn)天王星的軌道運動有些異常，似乎違背了牛頓萬有引力定律，他們認為，這應該是由一顆我們還不知道的行星引起的。天文學家約翰?加勒根據(jù)勒維耶的計算結果，在只比計算出的位置低1°的地方發(fā)現(xiàn)了一顆行星，這就是后來被命名的海王星。

我之所以要先提到這兩個例子是想說明：正是因為對它們的觀測和研究，增強了天文學家對物理學在天文學中應用的強烈自信——我們在地球上發(fā)現(xiàn)的物理定律，同樣適用于廣袤無垠的太空。天文學家是這么想的，也是這么干的。

有人把目光放到宇宙的深處，同樣也有人希望搞清楚我們所在的太陽系。荷蘭天文學家揚?奧爾特就是如此，他希望弄清楚太陽所受到的銀河系的引力影響。如果把這個問題，拋給現(xiàn)在正在讀高中的理科生，他們會想出什么辦法呢？

只要學過牛頓力學的人一定會想到，可以通過研究太陽附近恒星的運動來回答這個問題，很簡單，因為F（引力）=mV^2/R=mω^2R。這個思路的前半部分是正確的，但后半部分有瑕疵。因為對于一個星系來說，直接觀察旋轉速度很難，但是觀測恒星相對于圓盤面的垂直振蕩比較容易。

銀河

想象一下位于我們頭頂，橫跨南北的銀河系，系內恒星的垂直盤面振動會更敏感，質量產生的引力會成為恒星在自身位置上振蕩的回復力，效果就跟彈簧差不多。而在盤面方向的旋轉，由于引力與離心力平衡，則運動變化不容易被發(fā)現(xiàn)。

1932年，奧爾特通過對觀測結果進行計算發(fā)現(xiàn)：要解釋這些恒星的運動，普通物質僅僅占了所需物質數(shù)量的一半。

1933年，瑞士裔美國天文學家弗里茨?茲威基對后發(fā)座星系團中速度的分布做了研究，他發(fā)現(xiàn)，要想解釋清楚測量得到的速度，其所需要的產生引力的質量是星系團質量的10倍。由此，“質量缺失”的迷霧在天文學中產生，并且在此后50年內毫無進展。

隨著時間的前進，天體測量衛(wèi)星依巴谷測量了12萬顆恒星的數(shù)據(jù)，而2013年12月發(fā)射的蓋亞天體測量衛(wèi)星則測量了接近10億顆恒星的數(shù)據(jù)。測量表明“質量缺失”普遍存在于星系和星系團的范圍之內，甚至包括整個宇宙也是如此。

前面介紹的這種測量方法可以稱作是直接觀測，因為它不依賴恒星發(fā)出光線的波長。另一種方法是依據(jù)光譜學的辦法來研究類似銀河系這樣螺旋星系的旋轉。這種辦法就是依據(jù)觀測到的圓盤上恒星光線的多普勒頻移，依靠恒星與旋轉中心的距離算出圓盤的轉速。進一步就可以推算出整個圓盤的引力場及其質量分布。

接下來要做的就是將這個結果與恒星亮度的限定值進行比對，隨著與星系中心距離的增加，這個亮度依照指數(shù)曲線減小，大部分質量應該位于靠近中心的區(qū)域。如果這個假設正確，那么旋轉速度在遠離星系中心時會先增長，然后在距離更遠的時候，速度迅速下降。

但這個計算結果與觀測事實明顯不符：星系圓盤的旋轉速度在遠離中心時會先增長，之后速度并沒有降低，而是基本保持恒定。這意味著，有大量的質量分布于低光或不相關的區(qū)域內，甚至是星系圓盤之外。

通過直接測量得到的星系旋轉曲線與通過從發(fā)光物質分布推導出的旋轉曲線不同。天文學家對數(shù)以千計的星系系統(tǒng)的研究表明，這種觀測和計算上的不同是普遍存在的。這一發(fā)現(xiàn)就是暗物質假說的起源。

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