此時悟空在天上一刻不停得找尋暗物質，但是在上個世紀的很長一段時間里，人們并沒能成果證明暗物質的存在。常說，“眼見為實”，那么科學家為什么認為不可見的暗物質是存在的呢？
　　來自兩大領域的證據
　　自茨威基二十世紀30年代發現并命名“暗物質”后，直到二十世紀70年代，證明暗物質存在的研究才真正取得進展。為什么在長達四十年的時間里，暗物質研究都沒有進展呢？
　　當時，天文學家剛剛意識到星系是由恒星組成的巨型集合體。茨威基觀測后發座星系團時，對愛因斯坦理論的驗證剛剛起步，首次宇宙測量正在進行，　核物理學家剛剛開始發展解釋大爆炸和超新星的理論。星系復雜而遙遠，暗物質問題沒有立即引起天文學家的關注，也不足為奇。
　　二十世紀70年代早期，技術、天文學和粒子物理的進步為暗物質研究奠定了基礎。廣義相對論和核物理在關于早期宇宙的大爆炸理論中“攜手”，更大的望遠鏡和更精準靈敏的光探測器提升了天文觀測的速度和質量，微型計算機的降價使從事物理和天文研究的機構有能力購進用于天文計算的高性能計算機。各領域的進步都為拉開暗物質綜合研究的序幕做好了準備。不久，兩個重要的研究“應運而生”，來自計算機模擬和天文學觀測的證據再次證明宇宙中存在暗物質。
　　1973年，供職于普林斯頓大學的天文學家歐斯垂克（Jeremiah Ostriker）和皮伯斯（James Peebles）使用數值模擬研究星系演化。他們應用多體數值模擬（N-body simulation）將300個質點編入計算機程序，以此代表一個星系中圍繞中心點轉動的恒星群。在他們模擬的星系中，靠近中心處的質點較多，邊緣處的質點較少。模擬運行時，程序通過牛頓定律計算每對質點之間的引力，顯示出質點在短時間內如何運動。通過多次計算，歐斯垂克和皮伯斯能夠“追蹤”星系中所有質點在長時間內的運動情況。


歐斯垂克和皮伯斯，圖片來源： AIP, Physics Today Collection and Tenn Collection.

　　歐斯垂克和皮伯斯發現，大部分質點在一個軌道周期（質點環繞軌道一周需要的時間）內就會“壓縮”為接近星系中心的高密度條狀物，僅有少數質點向更靠近邊緣處的位置運動。這與通常情況下觀測到的優美的螺旋形或橢圓形星系完全不同。但如果在模擬中加入相當于所有質點總質量3-10倍的均勻分布的靜態質量，輸出的星系結構就變得合理了。歐斯垂克和皮伯斯的數值證據可以證明，要形成我們觀測到的星系結構，暗物質的參與是不可或缺的。
　　與此同時，供職于華盛頓卡內基研究所的天文學家福德（Kent Ford）和魯賓（Vera Cooper Rubin）開始對仙女座星系（galaxy of Andromeda）的恒星運動進行細致觀測。星系非常龐大，即便是以每秒200公里的速度運動的恒星，看起來也像是靜止的，天文學家需要通過多普勒頻移計算其運動速度。早期，測量仙女座星系不同部位的恒星速度極為困難。當時，用于測量頻移的光譜儀很長時間才能聚集足夠的光線，對仙女座星系某個特定部位的觀測需要耗費數小時甚至數個夜晚。整合幾次觀測的圖像也面臨重重挑戰，結果經常出現誤差。70年代早期，更加靈敏的光探測器縮短了觀測時間，為在更大范圍內進行星系觀測帶來曙光。


魯賓正在測量星系光譜，她用看起來像顯微鏡的設備發現光譜中的微小差別，通過這些差別得出星系各個部分轉動的速度。圖片來源：Carnegie Institute of Washington

　　福德和魯賓用新的探測器測量了仙女座星系內部和附近氫氣云的速度。這些氫氣云繞星系做軌道運動，這在很大程度上類似于恒星在星系內部的軌道運動。福德和魯賓設想，與邊緣處的氫氣云相比，星系可見邊緣外的氫氣云應該以更慢的速度運動。倘若星系的質量集中在發光之處，福德和魯賓的設想就符合維里定理的推測。但他們的發現恰恰相反：星系可見邊緣外的氫氣云的軌道速度保持不變。如果牛頓引力定律是正確的，星系可見邊緣外必定存在額外的不發光的物質。魯賓認為，如果仙女座星系符合牛頓引力定律，該星系必定含有暗物質，離星系中心處越遠、暗物質的數量越多。
　　下圖中的綠點表示實際觀測到的M33星系中物體的軌道運動速度（豎軸）和該物體到星系中心點距離（橫軸）之間的關系。位置較低的黃色虛線表示根據星系內的發光物推算的M33星系內物體的軌道速度。綠色的點明顯與虛線不符：星系外的物體的軌道速度遠快于預期。但如果星系中含有大量不發光物體，遠離星系中心的物體就會以更快的速度運動。綠色實線是以M33星系內含有暗物質為前提推算的物體軌道運動速度。這些軌道運動曲線為暗物質的存在提供了強有力的間接證據。


圖片來源：M33 Image: NOAO, AURA, NSF, T.A.Rector.

第三種證據
　　到上世紀70年代末期，兩種關于暗物質的證據已“脫穎而出”。星系團內的星系運動和氣體云繞個體星系的運動證明，要么星系和星系團中存在大量看不見的物質，要么我們對引力的理解從根本上就是錯誤的。而對星系形成的模擬也顯示，要形成我們在夜空中觀測到的螺旋形和橢圓形星系，大量暗物質的參與不可或缺。上世紀90年代，隨著大氣層外的射電望遠鏡“繪出”宇宙微波背景（cosmic microwave background），第三種證據浮出水面。
　　新的證據來自早期宇宙。天體物理學家相信，大爆炸發生約一秒鐘后，由質子、中子、光子、電子和其它次原子粒子組成的致密混合物充斥了宇宙。當時溫度極高，以至于電子無法與質子結合形成原子。所有粒子高速分散，使所有存在形式保持相同的溫度，即彼此處于熱平衡狀態。光子也在遠離帶電的質子和電子，但它們無法到達很遠的地方。
　　在宇宙膨脹的過程中，溫度下降至約10億開氏度。質子和中子開始結合，形成原子核。在大爆炸發生約39萬年后，持續的膨脹和降溫使宇宙溫度下降到約3000開氏度。此時，所有電子和質子均已結合形成電中性的氫原子，所有其它帶電粒子均已衰變。初始時期的氫氣形成后，宇宙對于光子來說變得“暢通無阻”，此后的130多億年中，它們始終在宇宙中穿行。這些來自早期宇宙的“古老”光子帶有一個微波波長，也就是人們所說的宇宙微波背景。
　　中性的氫氣形成前，物質在空間中幾乎是均勻分布的，但量子力學的波動會引起普通物質和暗物質密度的微小變化。引力將普通物質和暗物質拉向每次波動的中心。暗物質向中心移動時，普通物質會填充進來，直至光子的壓力將其推回并導致普通物質向外移動。引力的壓力超過光子壓力時，物質才會再次向內填充。每次波動“周而復始”，波動頻率由其大小決定。這種起伏會影響普通物質的溫度，使其在向內填充時升溫，向外移動時降溫。暗物質不與光子發生相互作用，不受這種效應的影響。
　　中性的氫氣形成時，物質向內填充過的區域比周邊區域溫度高。反之，物質“流出”的區域溫度相對較低。物質在空間不同區域的溫度以及與其保持熱平衡的光子能夠反映出暗物質在初始密度波動中的分布情況和普通物質的情況。電子和質子形成中性氫氣時，這種溫度變化模式被“凍結”在宇宙微波背景中。因此宇宙微波背景中的溫度變化圖能夠揭示大爆炸發生39萬年后不同類型物質的位置和數量。


歐洲普朗克宇宙探測器團隊于2013年發布的宇宙微波背景圖。圖片來源：ESA

　　2013年3月21日，歐洲普朗克宇宙探測器團隊發布了新的全宇宙微波背景圖。圖像表明，宇宙的年齡比研究人員之前的推測稍微古老一些。這張宇宙的“嬰兒照”將細微的溫度變化鐫刻在深空中。鐫刻下的印記反應出宇宙在初始時期“泛起的漣漪”，這些“漣漪”帶來了目前星系團和暗物質組成的廣袤的宇宙網絡。該團隊推算，宇宙的年齡為137.98 ± 0.37 億歲，由4.9%的普通物質, 26.8%的暗物質和68.3%的暗能量組成。
　　在這三大證據的面前，暗物質的面目逐漸越來越清晰起來。

科學家怎樣證明暗物質的存在？

圖文簡介

此時悟空在天上一刻不停得找尋暗物質，但是在上個世紀的很長一段時間里，......