宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型也就是我們熟知的大爆炸+暴漲理論，這個(gè)理論的提出不是一蹴而就的，而是經(jīng)過(guò)了多次的補(bǔ)充和修正！例如：暴漲理論就是多大爆炸的修正，而我們后來(lái)提出的暗物質(zhì)是對(duì)宇宙模型的補(bǔ)充。暗物質(zhì)自20世紀(jì)30年代首次提出到現(xiàn)在已有近80年的歷史了，但目前依據(jù)是宇宙學(xué)排行靠前的一大謎團(tuán)！所以下面要說(shuō)的就是小伙伴們比較關(guān)心的問(wèn)題了：我們基于什么樣的證據(jù)這么確定暗物質(zhì)的存在呢？還有沒(méi)有暗物質(zhì)的替代理論呢？

我們今天就聊下暗物質(zhì)的歷史，以及相關(guān)的一些問(wèn)題！

哈勃極深場(chǎng)的偉大發(fā)現(xiàn)

如果你對(duì)外層空間、宇宙以及整個(gè)宇宙的構(gòu)成感興趣的話(huà)，我相信你一定聽(tīng)說(shuō)過(guò)暗物質(zhì)，或者是暗物質(zhì)問(wèn)題。那么我們先來(lái)看看目前人類(lèi)最偉大的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天空所得到的結(jié)果。

（并不是上圖這張照片）。這張照片是我們?nèi)庋劬涂梢钥吹教炜盏囊恍〔糠郑话宋覀冃窍抵袨閿?shù)不多的幾顆暗淡的恒星，貌似這片天空中除了這些恒星以外什么都沒(méi)有了，剩下的就是一片黑暗和虛無(wú)！

但事實(shí)真的是這樣嗎？我曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：哈勃望遠(yuǎn)鏡做過(guò)最偉大也是最“大膽”的舉動(dòng)就是指向了這樣一個(gè)區(qū)域：沒(méi)有明亮的恒星，星系，或已知的任何星團(tuán)或星群，意思就是對(duì)著一塊我們認(rèn)為什么都沒(méi)有的區(qū)域，并且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的曝光，以收集更多微弱的光線。上圖標(biāo)著“XDF”的小區(qū)域就是哈勃極深場(chǎng)的位置（觀測(cè)位置），這個(gè)區(qū)域非常非常小，只占了整個(gè)夜空區(qū)域的1/3200萬(wàn)。就這樣一個(gè)看似空無(wú)一物的區(qū)域，你知道哈勃看到了什么？

上圖就是著名的哈勃極深場(chǎng)，就這幅圖中就有5500個(gè)獨(dú)特的星系，這意味著整個(gè)宇宙中至少有2000億個(gè)星系，這還只是我們目前所能看到的部分星系，如果我們看得更深更遠(yuǎn)呢？這個(gè)答案顯而易見(jiàn)，星系的數(shù)量會(huì)不斷的刷新人們的認(rèn)知。

我們通過(guò)什么方法判斷一個(gè)星系的質(zhì)量

現(xiàn)在我們想想無(wú)論是在我們附近的星系還是數(shù)百億光年之外的星系，是什么讓這些星系發(fā)光的。

這肯定是星系中的恒星為整個(gè)星系提供了光度！值得一提的是，在過(guò)去的150年左右的時(shí)間里，天文學(xué)和天體物理學(xué)最偉大的成就之一就是：我們已經(jīng)掌握了恒星的形成、發(fā)展、死亡和發(fā)光的原理。當(dāng)我們測(cè)量整個(gè)星系發(fā)出的星光時(shí)，我們就可以準(zhǔn)確地推斷出星系中存在何種類(lèi)型的恒星，以及星系中恒星的總質(zhì)量。

但我們需要記住一點(diǎn)：我們從星系、星系群和星團(tuán)中觀察到的光，告訴我們這個(gè)星系、星系群或星團(tuán)中的恒星質(zhì)量是多少。但是通過(guò)測(cè)量星光推斷星系的質(zhì)量并不是我們唯一判斷的標(biāo)準(zhǔn)！

除了星光，我們還可以測(cè)量星系是如何運(yùn)動(dòng)的，旋轉(zhuǎn)速度有多快，星系的相對(duì)速度是多少等等。根據(jù)萬(wàn)有引力定律，如果我們測(cè)量星系的運(yùn)動(dòng)速度，就可以推斷出星系里面有多少質(zhì)量和物質(zhì)！

觀測(cè)到的星系質(zhì)量和引力預(yù)言的質(zhì)量相差甚遠(yuǎn)，以及暗物質(zhì)問(wèn)題的出現(xiàn)

我們應(yīng)該清楚，萬(wàn)有引力定律是一個(gè)普遍的理論，這意味著它在宇宙的任何地方都是適用的。支配太陽(yáng)系的定律必須與支配星系的定律相同。所以我們有兩種不同的方法來(lái)測(cè)量宇宙中“大結(jié)構(gòu)”的質(zhì)量：

我們可以測(cè)量星系發(fā)出的星光，因?yàn)槲覀冎篮阈鞘侨绾喂ぷ鞯?，所以我們可以推斷出星系中恒星的質(zhì)量。

我們可以測(cè)量星系是如何運(yùn)動(dòng)的。從萬(wàn)有引力，我們可以推斷出星系的總質(zhì)量。

現(xiàn)在我們要問(wèn)一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題：這兩個(gè)數(shù)字匹配嗎?（我們需要知道一個(gè)事實(shí)：就太陽(yáng)系中，太陽(yáng)占太陽(yáng)系總質(zhì)量的的99.86%）

這兩個(gè)數(shù)字不僅不匹配，而且相差甚遠(yuǎn)！通過(guò)萬(wàn)有引力計(jì)算的星系質(zhì)量是我們觀察得到恒星總質(zhì)量的50倍。無(wú)論我們觀察的是小星系、大星系、星系群還是星系團(tuán)，結(jié)果都是如此。

這個(gè)數(shù)字告訴了我們一些重要的事情：

要么構(gòu)成宇宙質(zhì)量98%的物質(zhì)不是恒星，

要么是我們對(duì)引力的理解是錯(cuò)誤的。

不論是哪一個(gè)可能，都會(huì)對(duì)我們理解宇宙產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響！我們先來(lái)看第一種可能。

除了構(gòu)成星系和星團(tuán)質(zhì)量的恒星外，可能還有很多很多其他的物質(zhì)，包括:

1. 一團(tuán)不發(fā)光的物質(zhì)，如行星、衛(wèi)星、小衛(wèi)星、小行星、冰球等

2. 中性和電離的星際氣體、塵埃和等離子體

3. 黑洞

4. 像白矮星和中子星這樣的恒星殘骸

5. 非常暗的恒星或矮恒星。

怎么說(shuō)！這些物質(zhì)都可以為星系提供質(zhì)量。但問(wèn)題是，科學(xué)家也想到了，并且已經(jīng)測(cè)量了這些物體的豐度。宇宙中正常物質(zhì)(即由質(zhì)子、中子和電子組成)的總量，包括輕元素的豐度、宇宙微波背景、宇宙的大規(guī)模結(jié)構(gòu)以及各種天體物理測(cè)量，其中還有中微子的貢獻(xiàn)。這也就是我們目前知道的正常物質(zhì)的總量。

我們現(xiàn)在知道：宇宙中大約有15-16%的物質(zhì)由質(zhì)子、中子和電子組成，其中大部分是星際(或星系間)氣體和等離子體，還有1%的正常物質(zhì)以中微子的形式存在。那么剩下的那一大片的物質(zhì)，一定是一種具有質(zhì)量，并且不與其他物質(zhì)發(fā)生電磁作用，只會(huì)產(chǎn)生很微弱的弱相互作用的粒子！并且它不是標(biāo)準(zhǔn)模型中的任何粒子。

這就是我們常說(shuō)的暗物質(zhì)的問(wèn)題。

其實(shí)我們能想到的，科學(xué)家也早都想到了！假設(shè)這種看不見(jiàn)的新型物質(zhì)并不存在，是我們的理論出了問(wèn)題，在大尺度上的引力定律是錯(cuò)誤的呢？下面我們就說(shuō)下這個(gè)想法！

暗物質(zhì)的歷史，以及隨著時(shí)間的推移我們對(duì)暗物質(zhì)的了解，難道我們的引力出了問(wèn)題？

在早期階段人們對(duì)大規(guī)模結(jié)構(gòu)的形成知之甚少。但從20世紀(jì)30年代開(kāi)始，弗里茨·茲威基(Fritz Zwicky)就開(kāi)始測(cè)量星系團(tuán)中來(lái)自星系的星光，以及各個(gè)星系之間相互移動(dòng)的速度。這時(shí)他就注意到了上文中提到的：恒星的質(zhì)量與必須存在質(zhì)量之間存在巨大的差異，而足夠的質(zhì)量是星系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的必要條件。

包括現(xiàn)在都有人對(duì)暗物質(zhì)是否存在產(chǎn)生懷疑，所以在那個(gè)時(shí)候根本就沒(méi)人相信有看不見(jiàn)的物質(zhì)！所以大約40年來(lái)，茲威基工作基本上都被科學(xué)界忽視了。

直到20世紀(jì)60年代，當(dāng)人們開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模的宇宙學(xué)研究時(shí)，凱恩（F. D. Kahn）和沃特（L. Woltjer），他們研究了銀河系和仙女座星系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其結(jié)果表明，除了茲威基的集群動(dòng)力學(xué)問(wèn)題（單個(gè)星系），在更大尺度上看到的結(jié)構(gòu)需要一個(gè)不可見(jiàn)的、非重子質(zhì)量源來(lái)解釋所觀察到的結(jié)果。(自那以后，2dF（上圖）和SDSS等研究也印證了這一情況)

在20世紀(jì)70年代，薇拉·魯賓(Vera Rubin)對(duì)仙女座中星體旋轉(zhuǎn)速度的研究發(fā)現(xiàn)，星系中星系外圍的星體旋轉(zhuǎn)速度并沒(méi)有因?yàn)檫h(yuǎn)離中心而減小，如果不存在其他物質(zhì)提供引力，外圍的星體會(huì)因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)而被甩出星系！但實(shí)際情況是，星系結(jié)構(gòu)如此的穩(wěn)定！所以這讓人們重新關(guān)注旋轉(zhuǎn)星系，以及各種研究展示出來(lái)的暗物質(zhì)問(wèn)題。

薇拉·魯賓(Vera Rubin)

根據(jù)對(duì)萬(wàn)有引力定律以及對(duì)星系中正常物質(zhì)密度的觀察，我們會(huì)認(rèn)為，當(dāng)遠(yuǎn)離螺旋星系的中心時(shí)，圍繞星系中心旋轉(zhuǎn)的恒星會(huì)減速。這應(yīng)該與太陽(yáng)系的情況非常相似，水星的軌道速度最高，其次是金星，然后是地球，然后是火星等等。但自旋星系顯示的實(shí)際情況是，當(dāng)逐漸遠(yuǎn)離星系中心時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度似乎保持不變。這告訴我們，星系中彌散著大量看不見(jiàn)的物質(zhì)，在保持著星系的穩(wěn)定，要么就是我們的引力定律不適合大尺度結(jié)構(gòu)，需要修改！

早期關(guān)于暗物質(zhì)的替代方案——對(duì)引力模型的修正，其結(jié)果如何呢？

我們現(xiàn)在直到暗物質(zhì)是對(duì)以上所有問(wèn)題提出的最主要解決方案，但一開(kāi)始沒(méi)有人知道暗物質(zhì)是什么？它的溫度特性是什么？以及它是否/如何與正常物質(zhì)或與自己發(fā)生相互作用。所以人們就提出了第一個(gè)主要的替代暗物質(zhì)的方案。

在20世紀(jì)80年代的早期人們提出了MOND（修正牛頓動(dòng)力學(xué)的縮寫(xiě)），作為一種解釋星系旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象學(xué)、經(jīng)驗(yàn)?zāi)M的理論。MOND在小尺度結(jié)構(gòu)(星系尺度)上運(yùn)行得確實(shí)很好（如上圖所示），但在所有大尺度模型上都失敗了。MOND不能解釋星系團(tuán)，不能解釋大規(guī)模的結(jié)構(gòu)，也不能解釋輕元素的豐度等等。

MOND除了在解釋大尺度結(jié)構(gòu)上的失敗之外，它也不是一個(gè)可行的引力理論。這意味著MOND不能解釋星光因質(zhì)量而產(chǎn)生的彎曲、引力時(shí)間膨脹或光線紅移、雙脈沖星的行為或其他任何符合廣義相對(duì)論的引力現(xiàn)象。如果真的要對(duì)引力理論做出修正，我們需要的是一個(gè)相對(duì)論性質(zhì)的引力版本，它既能解釋星系的旋轉(zhuǎn)曲線，也必須解釋我們目前的引力理論所成功預(yù)測(cè)的所有現(xiàn)象。

總結(jié)：只有引入暗物質(zhì)，宇宙才能在大尺度上完好的運(yùn)行并與我們的觀測(cè)相符

然而，隨著時(shí)間的推移，暗物質(zhì)理論開(kāi)始在宇宙學(xué)的觀察中取得了巨大的進(jìn)步。隨著我們對(duì)宇宙更大尺度的觀測(cè)和對(duì)宇宙微波背景波動(dòng)的(下圖)精確測(cè)量，人們發(fā)現(xiàn)只要引入暗物質(zhì)，宇宙在所有的尺度上都將符合預(yù)期的觀測(cè)結(jié)果。

換句話(huà)說(shuō)，一個(gè)由比正常物質(zhì)多五倍的暗物質(zhì)組成的宇宙與所有最新的觀測(cè)結(jié)果高度一致。

這是暗物質(zhì)的巨大勝利，也是對(duì)所有修正引力模型的否定。這就是為什么我們?nèi)绱舜_定暗物質(zhì)存在的原因。