爲什麼確信暗物質存在？修改引力理論是否能解決暗物質問題？

暗物質問題在宇宙學中一直處在未解問題的最頂端。暗物質是什麼？在哪裡？如果暗物質真的存在，我們應該如何測量它？這些都是宇宙學重要的前沿問題。這種難以捕捉的物質影響着我們的星系的運動，這也是我們星系可以穩定存在、物質分佈如此特殊的原因！目前暗物質只是被間接的探測到，並沒有直接確切的證據表明暗物質的存在。那麼是什麼讓暗物質問題一直以來經久不衰，始終縈繞在宇宙學家的心頭？

因爲關於暗物質的想法來自我們確切的觀察數據。我們相信自己的眼睛看到的一些完全獨立的宇宙學和天體物理現象，這些現象不能在其他理論框架中得到解釋，但是可以通過暗物質的存在來解決。下面就說下我們在宇宙中看到了什麼？

1、星系團質量缺失問題

3.21億光年外的後發星系團

在宇宙中，各種大小的天體都在其特定的軌道上運行：行星圍繞太陽公轉，恆星繞着銀河系中心旋轉，單個星系則成羣互相旋轉。要想使宇宙中的結構緊密地結合在一起，物體所感受到的引力必須與運動所產生的能量相平衡。一個快速運動的物體，其動能越大，就越容易掙脫引力的束縛。

1933年，弗裡茨·茲威基（下圖）正在研究離我們最近的大星系團：後發星系團（上圖）。

茲威基利用維裡定理（將一個系統的平均動能和總勢能聯繫起來的方程）推斷出了整個星團的引力質量。然後將引力質量與通過星系中明亮的發光物質（恆星和氣體）推斷出的光學質量進行比較。這兩種方法都是測量星系、星系團質量的方法，如果我們的理論正確，那麼這兩個數字（引力質量和發光物質的質量）應該互相匹配，至少誤差不大！但是茲威基發現來自發光物質的質量不足以保持星團的束縛狀態，而且比推測的引力質量小了將近5倍（一開始是50倍，最後東拉西扯找了一些不發光的塵埃、冷氣體、死亡恆星、行星、冰岩石硬是湊到了大約5倍）。

假設每個星系的質量都是由發光的物質構成的，那麼星系團中的星系並不會聚集在一起！這就是我們所說的質量缺失問題，後來也創造了“暗物質”這個術語，用來描述一些看不見但必須存在的物質，是暗物質的存在將星系團緊緊的束縛在一起。

2、星系旋轉曲線問題

在星系內部我們也觀察到了類似質量缺失的證據。根據標準的牛頓力學，我們預測：當從星系的中心移動到星系的外邊緣時，恆星的運動速度會下降。但在20世紀60年代研究仙女座星系時，維拉·魯賓（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）發現了一些非常奇怪的現象：不管恆星離銀河系中心有多遠，恆星的運動速度幾乎保持不變。

1975年魯賓和福特在美國天文學年會的一次會議上提出，茲威基的發現以及後來對螺旋星系中恆星速度的許多觀察都暗時我們：星系的實際質量不能完全由我們用望遠鏡所能看到的物體來決定。相反，如果星系的大部分質量存在於一個瀰漫的暗物質“光暈”中，並且“光暈”的範圍遠遠超出了發光物質（星系）的邊緣，那麼觀測到的星系旋轉曲線就可以得到解釋。

3、宇宙微波背景

宇宙微波背景（CMB）是我們宇宙早期的快照。它告訴了我們宇宙早期的大小尺度上的密度分佈，以及結構形成時的一些詳細細節！我們在對CMB的觀察中看到的波動模式是由作用於物質上的兩種力量之間的競爭建立起來的：

這兩種力來回的拉扯和競爭，導致了光子和物質在稠密的區域內來回振盪，我們稱其爲重子聲波振盪。如果宇宙除了正常物質外，還有部分暗物質的話，這種振盪模式就會受到極大的影響。暗物質的存在會在宇宙微波背景輻射的觀測中留下了獨特的印記，因爲暗物質不會受到輻射壓力的影響（暗物質不與光子互動），首先會聚集成稠密的區域，導致物質很快會在引力的作用下坍縮。

無論有無暗物質，我們都可以預測宇宙微波背景輻射中的重子聲振盪，如果有暗物質的存在，我們就可以觀察物質功率譜。微波背景輻射的功率譜向我們展示了不同大小尺度下的光子和物質的振盪強度。威爾金森微波各向異性探測儀（WMAP）是第一個測量微波背景輻射功率譜的儀器，表明暗物質缺失存在影響了最初的結構形成！

4、子彈星系團

2006年，哈勃太空望遠鏡和錢德拉x射線天文臺發佈了關於一個被稱爲子彈星系團的天體碰撞事件。這個星系團實際上是兩個星系羣，它們經歷了高速碰撞，迫使每個星系團的物質融合在了一起。通過兩個望遠鏡的觀測，我們可以用兩種方法測量碰撞後星團質量的位置分佈情況：x射線下的光學觀測和引力透鏡效應。

我們可以通過x射線來判斷兩個星系羣相撞後正常物質的分佈情況。在一個星系團中，氣體粒子瀰漫在每個星系羣之間的空間中，佔普通物質質量的90%。當兩個星系羣發生碰撞時，氣體粒子會因爲相互碰撞而被加熱，從而導致x射線發射的亮度增加。通過這個我們可以知道相撞後氣體的能量和位置。

引力透鏡效應的產生是因爲物質並不是唯一能感受到引力作用的東西，光線也可以。這意味着一個質量巨大的物體可以產生透鏡效應；一個向各個方向發光的背景光源，如果這個光源發出的光經過一個質量巨大的物體，那麼光線就會被聚焦。通過測量這些聚焦圖像，我們可以推斷出我們和光源之間產生透鏡效應物質的位置和質量。

如果星系團完全由普通物質組成，那麼光學觀測到的質量位置和引力透鏡計算出的子彈星系團碰撞後的質量位置應該重疊。但是觀察結果顯示出了明顯的不一致。在光學上可見的物質告訴我們，質量應該集中在圖像的中心附近，用紅色氣體表示。來自引力透鏡的質量分佈，用藍色表示，星系羣質量的分佈實際上分成兩部分，就在星系羣正常發光物質的兩側！通過暗物質的作用，這種行爲很容易解釋如下：

最終我們得到了什麼結論？星系團之間的高速碰撞應該會使星系團中大部分質量（暗物質的形式）不受阻礙地互相穿過，而正常物質則會碰撞、減速、升溫，釋放出x射線。

5、大規模的結構形成

當斯隆數字巡天計劃（Sloan Digital Sky Survey）等望遠鏡繪製出宇宙中星系的位置時，其最大的特徵被稱爲大尺度絲狀結構，這種物質聚集的模式在只有普通物質提供引力的情況下是不可能出現的。剛纔我們討論CMB時已經提到了，由於引力和輻射壓力的相互作用（來回拉扯），普通物質就無法有效、及時地聚集成稠密的物體。但是物質在宇宙微波背景輻射之後發生引力坍縮的時間比較短，包括我們現在觀察到的結構在演化上尺度十分龐大。

暗物質就提供了一個合理的解釋。因爲暗物質不經歷與物質和光子相同的振盪，所以暗物質就可以自由地坍縮，形成緻密的區域，這有助於結構的形成，並使星系和星團的分佈成爲我們今天所看到的樣子。

現在我們將這五個獨立的間接證據放在一起，就爲我們提供了暗物質存在的令人信服的理由。如果我們細看每一個解釋，都有一個共同的主題：引力問題。每一個間接的證據都依賴於暗物質提供的額外引力才能解釋我們觀察到的現象。因此還有另一種選擇！

是不是我們的引力理論出了問題？

天文學家、天體物理學家和宇宙學家談論暗物質時，就好像暗物質必然存在的一樣，但也有很多人不這麼認爲。由於我們還沒有直接探測到暗物質，而暗物質存在的證據主要集中在引力相互作用上，一個負責任的科學界會問:“我們觀察到的一切異常現象會不會是因爲我們的引力理論還不夠完善？”

一些研究小組一直在解決這個問題，研究MOND（修正的牛頓引力理論）等理論。到目前爲止，修正引力的理論已經成功地描述了其中一個特性：星系旋轉曲線，但還沒有像暗物質那樣可以解釋完整的觀測異常。

我們知道修正引力理論並非易事。我們對整個太陽系中，引力對物體的影響進行了極其精確的測量，這些測量精確地符合廣義相對論對引力的理解。如果我們想要改變萬有引力理論，就必須解釋廣義相對論目前能解釋的所有現象，還要解決暗物質問題帶來的所有問題。這基本上不可能實現。

總結：所有的觀測和理論都指向了暗物質

以上五個原因並不是我們對暗物質存在的全部觀察證據。還有大爆炸核合成（BBN）解釋了像氦這樣的輕元素在大爆炸後幾分之一秒內形成的方式，它告訴我們重子物質在宇宙中的丰度，也就是我們已知宇宙中正常物質的量，這些量並不能解釋從其他觀測中推斷出的宇宙總物質含量。

對原始氣體雲（中性的氫氣）吸收來自背景星系和類星體光線的觀測，即所謂的萊曼-阿爾法森林，這些吸收線爲我們提供了關於暗物質團塊位置的信息、原始氣體雲形成的時期以及暗物質粒子的溫度。

在我們幾乎觀察到的每一個地方，宇宙似乎都在給我們暗示：暗物質肯定存在。從早期宇宙到現在，從銀河尺度到宇宙中可觀測到的最大尺度，所有這些間接證據都指向了同一個結論：暗物質問題！