尋找星系守衛(wèi)者：星系為何沒有分裂？

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(shí)際上還隱藏宇宙中最黑暗的秘密。

幾十年前，天文學(xué)家在觀測旋渦星系時(shí)發(fā)現(xiàn)，在星系的外側(cè)出現(xiàn)了十分不合理的現(xiàn)象：那里的物體移動(dòng)實(shí)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(yuǎn)離質(zhì)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(yùn)動(dòng)速度也會(huì)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(wěn)，而不是像理論預(yù)期那樣下降。

這是非常令人驚奇的發(fā)現(xiàn)，如果在星系外側(cè)的物體運(yùn)行的速度如此之快，它們應(yīng)該早就已經(jīng)飛離星系的掌控，使星系分崩離析。但這樣的事情并沒有發(fā)生，為什么？究竟是什么在默默地守護(hù)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(dāng)時(shí)，天文學(xué)家勒維耶在分析了太陽系中天王星的軌道后發(fā)現(xiàn)，它的運(yùn)行軌道與牛頓的引力理論所預(yù)測的不符。由于當(dāng)時(shí)牛頓的理論已經(jīng)取得了巨大的成功，因此沒有人會(huì)去質(zhì)疑這個(gè)基本理論。相反，勒維耶在經(jīng)過詳細(xì)的數(shù)學(xué)計(jì)算后預(yù)測，在天王星之外還存在另一顆未被發(fā)現(xiàn)的行星，影響著天王星。1846年，天文學(xué)家伽勒在勒維耶預(yù)言的位置不到1度的地方發(fā)現(xiàn)了缺失的質(zhì)量——海王星。

同樣的事情或許也發(fā)生在星系外側(cè)。雖然包括恒星在內(nèi)的所有可見物質(zhì)的總和無法解釋高速運(yùn)動(dòng)的天體，但如果那里有大量亮度遠(yuǎn)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(jīng)過大量搜尋后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些天體的總量并不足以彌補(bǔ)缺失的質(zhì)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(xué)家又發(fā)現(xiàn)水星的運(yùn)動(dòng)也存在異常。那么一個(gè)自然的推斷是，在水星附近或許也存在一顆未被發(fā)現(xiàn)的行星。但是，在經(jīng)過一番搜索后，沒有人在水星附近找到另一個(gè)行星。當(dāng)然，他們永遠(yuǎn)也找不到。因?yàn)檫@次，我們需要的是一個(gè)超越牛頓的全新引力理論。1915年，當(dāng)愛因斯坦提出廣義相對(duì)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(shí)是愛因斯坦的理論需要被修正？有可能，而且許多理論學(xué)家都在嘗試，只是至今沒有哪一個(gè)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(wǎng)）

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

之后，所有的其他觀測也都指向了宇宙中應(yīng)當(dāng)遍布著這些不發(fā)光、不吸收光、也不反射光的暗物質(zhì)。計(jì)算表明，宇宙中有約85%的物質(zhì)都是暗物質(zhì)！

天文學(xué)家會(huì)通過一種被稱為引力透鏡的方法，來繪制暗物質(zhì)在空間中的分布。我們知道，所有的物質(zhì)都有質(zhì)量，也就有引力，就會(huì)對(duì)周圍的時(shí)空產(chǎn)生影響。根據(jù)愛因斯坦的理論，當(dāng)遙遠(yuǎn)的背景星系發(fā)出的光線在經(jīng)過離地球更近的前景星系時(shí)，前景星系的引力會(huì)扭曲周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)，所以光線的路徑會(huì)發(fā)生彎曲，就好像被光學(xué)透鏡所彎曲一樣。從光線彎曲的程度，科學(xué)家可以推算出前景星系所包含的質(zhì)量。結(jié)果表明，星系內(nèi)的可見物質(zhì)不足以解釋光線的彎曲，所以必然存在大量的暗物質(zhì)。

好，假設(shè)暗物質(zhì)是真實(shí)存在的，那么它究竟是什么？理論學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)極有可能是一種或多種從未被發(fā)現(xiàn)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(zhì)量和性質(zhì)都有著很大的不確定性。有一類理論預(yù)言暗物質(zhì)由一種“弱相互作用大質(zhì)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(zhì)密度而備受青睞。

目前，尋找這種暗物質(zhì)粒子的方法共有三種。第一種是直接探測，科學(xué)家會(huì)在地底深處建造探測器，直接捕捉暗物質(zhì)粒子與原子核碰撞的證據(jù)；第二種是間接探測，科學(xué)家會(huì)在伽馬射線和中微子等數(shù)據(jù)中尋找暗物質(zhì)粒子的湮滅或衰變的產(chǎn)物；第三種是對(duì)撞機(jī)探測，在對(duì)撞機(jī)中讓高能粒子束對(duì)撞，直接產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。

目前，我國不僅有錦屏地下實(shí)驗(yàn)室直接尋找暗物質(zhì)粒子與原子核的碰撞，也有“悟空”號(hào)衛(wèi)星通過間接手段尋找暗物質(zhì)。除了弱相互作用大質(zhì)量粒子之外，科學(xué)家當(dāng)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(zhì)的本質(zhì)仍是一個(gè)巨大的謎團(tuán)。

所以，究竟會(huì)是什么在守衛(wèi)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(huì)有意想不到的收獲。

本文為科普中國·星空計(jì)劃扶持作品

作者：沈雯

審核：韓文標(biāo)

出品：中國科協(xié)科普部

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