星系是宇宙中最壯觀、最基本的組成部分，它們包含了大量的恒星、氣體和塵埃。然而，在它們絢麗的外表下，實際上還隱藏宇宙中最黑暗的秘密。

幾十年前，天文學家在觀測旋渦星系時發現，在星系的外側出現了十分不合理的現象：那里的物體移動實在是太快了！

牛頓和愛因斯坦的引力理論告訴我們：引力與距離的平方成反比。這意味著，那些遠離質量最集中的星系中心的物體，所感受到的引力要比靠近星系中心的更弱，所以它們的運動速度也會更慢。然而，觀測卻表明天體的速度在超過特定距離后開始神奇地趨于平穩，而不是像理論預期那樣下降。

這是非常令人驚奇的發現，如果在星系外側的物體運行的速度如此之快，它們應該早就已經飛離星系的掌控，使星系分崩離析。但這樣的事情并沒有發生，為什么？究竟是什么在默默地守護著星系？這勾起了所有人的好奇。

我們先來考慮第一種可能性。

讓我們首先回到100多年前。當時，天文學家勒維耶在分析了太陽系中天王星的軌道后發現，它的運行軌道與牛頓的引力理論所預測的不符。由于當時牛頓的理論已經取得了巨大的成功，因此沒有人會去質疑這個基本理論。相反，勒維耶在經過詳細的數學計算后預測，在天王星之外還存在另一顆未被發現的行星，影響著天王星。1846年，天文學家伽勒在勒維耶預言的位置不到1度的地方發現了缺失的質量——海王星。

同樣的事情或許也發生在星系外側。雖然包括恒星在內的所有可見物質的總和無法解釋高速運動的天體，但如果那里有大量亮度遠低于普通恒星的天體，比如褐矮星、紅矮星、白矮星、中子星和黑洞，施加了額外的引力呢？然而，在經過大量搜尋后，天文學家發現這些天體的總量并不足以彌補缺失的質量。

接下來，我們來看看第二種可能性。

繼海王星的成功之后，天文學家又發現水星的運動也存在異常。那么一個自然的推斷是，在水星附近或許也存在一顆未被發現的行星。但是，在經過一番搜索后，沒有人在水星附近找到另一個行星。當然，他們永遠也找不到。因為這次，我們需要的是一個超越牛頓的全新引力理論。1915年，當愛因斯坦提出廣義相對論后，水星的問題被完美地解決了。

那么，這是否意味著，在星系或更大的尺度下，其實是愛因斯坦的理論需要被修正？有可能，而且許多理論學家都在嘗試，只是至今沒有哪一個理論能夠脫穎而出的宣布可以解決所有的問題。

星系示意圖（配圖來自圖蟲網）

現在，我們來看第三種可能性。在星系中，除了閃爍的恒星和發光的氣體和塵埃這些普通物質之外，有沒有可能還存在著大量看不見的物質，只通過引力與普通物質相互作用呢？這是非常有吸引力的想法，這些看不見的物質正是所謂的“暗物質”。也就是說，星系很可能被巨大而彌散的“暗物質暈”所籠罩，從而提供了額外的引力使星系能夠維持穩定。

之后，所有的其他觀測也都指向了宇宙中應當遍布著這些不發光、不吸收光、也不反射光的暗物質。計算表明，宇宙中有約85%的物質都是暗物質！

天文學家會通過一種被稱為引力透鏡的方法，來繪制暗物質在空間中的分布。我們知道，所有的物質都有質量，也就有引力，就會對周圍的時空產生影響。根據愛因斯坦的理論，當遙遠的背景星系發出的光線在經過離地球更近的前景星系時，前景星系的引力會扭曲周圍的時空結構，所以光線的路徑會發生彎曲，就好像被光學透鏡所彎曲一樣。從光線彎曲的程度，科學家可以推算出前景星系所包含的質量。結果表明，星系內的可見物質不足以解釋光線的彎曲，所以必然存在大量的暗物質。

好，假設暗物質是真實存在的，那么它究竟是什么？理論學家認為，暗物質極有可能是一種或多種從未被發現的全新粒子。為此，他們提出了許多假想的候選粒子，但這些粒子的質量和性質都有著很大的不確定性。有一類理論預言暗物質由一種“弱相互作用大質量粒子”（WIMP）組成，由于能夠自然的解釋今天宇宙中觀測到的暗物質密度而備受青睞。

目前，尋找這種暗物質粒子的方法共有三種。第一種是直接探測，科學家會在地底深處建造探測器，直接捕捉暗物質粒子與原子核碰撞的證據；第二種是間接探測，科學家會在伽馬射線和中微子等數據中尋找暗物質粒子的湮滅或衰變的產物；第三種是對撞機探測，在對撞機中讓高能粒子束對撞，直接產生暗物質粒子。

目前，我國不僅有錦屏地下實驗室直接尋找暗物質粒子與原子核的碰撞，也有“悟空”號衛星通過間接手段尋找暗物質。除了弱相互作用大質量粒子之外，科學家當然也在積極尋找其他的候選粒子，比如軸子和惰性中微子等等。但到目前為止，暗物質的本質仍是一個巨大的謎團。

所以，究竟會是什么在守衛著星系？我們還不知道。我們所能做的就是保持好奇心，保持耐心，努力地去探索各種可能性。最終，我們或許會有意想不到的收獲。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：沈雯

審核：韓文標

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

內容資源由項目單位提供