昨天我在文章《比太陽還亮的黑洞，解決未來能源危機(jī)，全靠它 》一文中提到：只有幾個(gè)太陽質(zhì)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(cuò)特錯(cuò)了，宇宙中還有比這更黑的物質(zhì)——暗物質(zhì)，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(chǎn)生這樣的疑問：既然不知道暗物質(zhì)究竟是什么，那又怎么確定它們的存在呢？天文學(xué)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(xué)在天文學(xué)中的應(yīng)用了，因?yàn)樘煳陌l(fā)現(xiàn)并不是依靠觀測，而是計(jì)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(shí)，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(xué)家弗里德里希?貝塞爾指出，天狼星自身運(yùn)動的異常是因?yàn)橛幸活w我們看不到的伴侶星體的存在。18年后，隨著天文望遠(yuǎn)鏡制造水平的提高，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在天狼星附近有一顆白矮星。

天王星

另一個(gè)我們要提到的經(jīng)典天文發(fā)現(xiàn)故事是關(guān)于天王星的。它是第一顆使用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的行星。1781年3月13日，英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾在自宅庭院中，利用自己設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡中，窺視到它淡藍(lán)色的影子。

海王星

1846年，天文學(xué)家奧本?勒維耶和約翰?亞當(dāng)斯發(fā)現(xiàn)天王星的軌道運(yùn)動有些異常，似乎違背了牛頓萬有引力定律，他們認(rèn)為，這應(yīng)該是由一顆我們還不知道的行星引起的。天文學(xué)家約翰?加勒根據(jù)勒維耶的計(jì)算結(jié)果，在只比計(jì)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(gè)例子是想說明：正是因?yàn)閷λ鼈兊挠^測和研究，增強(qiáng)了天文學(xué)家對物理學(xué)在天文學(xué)中應(yīng)用的強(qiáng)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(xué)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(xué)家揚(yáng)?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(gè)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(xué)過牛頓力學(xué)的人一定會想到，可以通過研究太陽附近恒星的運(yùn)動來回答這個(gè)問題，很簡單，因?yàn)镕（引力）=mV^2/R=mω^2R。這個(gè)思路的前半部分是正確的，但后半部分有瑕疵。因?yàn)閷τ谝粋�(gè)星系來說，直接觀察旋轉(zhuǎn)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(nèi)恒星的垂直盤面振動會更敏感，質(zhì)量產(chǎn)生的引力會成為恒星在自身位置上振蕩的回復(fù)力，效果就跟彈簧差不多。而在盤面方向的旋轉(zhuǎn)，由于引力與離心力平衡，則運(yùn)動變化不容易被發(fā)現(xiàn)。

1932年，奧爾特通過對觀測結(jié)果進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)：要解釋這些恒星的運(yùn)動，普通物質(zhì)僅僅占了所需物質(zhì)數(shù)量的一半。

1933年，瑞士裔美國天文學(xué)家弗里茨?茲威基對后發(fā)座星系團(tuán)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(chǎn)生引力的質(zhì)量是星系團(tuán)質(zhì)量的10倍。由此，“質(zhì)量缺失”的迷霧在天文學(xué)中產(chǎn)生，并且在此后50年內(nèi)毫無進(jìn)展。

隨著時(shí)間的前進(jìn)，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(zhì)量缺失”普遍存在于星系和星系團(tuán)的范圍之內(nèi)，甚至包括整個(gè)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?yàn)樗灰蕾嚭阈前l(fā)出光線的波長。另一種方法是依據(jù)光譜學(xué)的辦法來研究類似銀河系這樣螺旋星系的旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)中心的距離算出圓盤的轉(zhuǎn)速。進(jìn)一步就可以推算出整個(gè)圓盤的引力場及其質(zhì)量分布。

接下來要做的就是將這個(gè)結(jié)果與恒星亮度的限定值進(jìn)行比對，隨著與星系中心距離的增加，這個(gè)亮度依照指數(shù)曲線減小，大部分質(zhì)量應(yīng)該位于靠近中心的區(qū)域。如果這個(gè)假設(shè)正確，那么旋轉(zhuǎn)速度在遠(yuǎn)離星系中心時(shí)會先增長，然后在距離更遠(yuǎn)的時(shí)候，速度迅速下降。

但這個(gè)計(jì)算結(jié)果與觀測事實(shí)明顯不符：星系圓盤的旋轉(zhuǎn)速度在遠(yuǎn)離中心時(shí)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(zhì)量分布于低光或不相關(guān)的區(qū)域內(nèi)，甚至是星系圓盤之外。

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

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