我們繼續(xù)說(shuō)暗物質(zhì)，上節(jié)課我們說(shuō)了，上世紀(jì)的30年代、70年代人們發(fā)現(xiàn)了星系、星團(tuán)中有質(zhì)量缺失，說(shuō)白了就是根據(jù)星光所測(cè)量出來(lái)的物質(zhì)它們能夠提供的引力，不足以解釋星系的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。
也可以理解為，一個(gè)星系由發(fā)光物質(zhì)所提供的引力太小，如果星系按照目前的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的話，它肯定會(huì)解體，但事實(shí)上，星系人家轉(zhuǎn)得好好的，這就說(shuō)明，有一部分物質(zhì)給星系提供了額外的引力，但我們不知道它是啥。
當(dāng)時(shí)根據(jù)引力測(cè)量出來(lái)的質(zhì)量，比根據(jù)星光測(cè)量出來(lái)的質(zhì)量大了50倍。這個(gè)差異還是相當(dāng)明顯的。所以我們需要解釋這50倍都差在了哪？
人們首先考慮了一種可能的解釋?zhuān)覀冎佬窍抵谐撕阈且酝?，還有很多不發(fā)光、或者說(shuō)不發(fā)出可見(jiàn)光的物質(zhì)，比如說(shuō)，行星，褐矮星、恒星遺跡、黑洞、氣體云、塵埃等等這些由普通物質(zhì)構(gòu)成的東西。
如果把這些東西都算進(jìn)去的話，再加上恒星的質(zhì)量，是不是就可以抹平這50倍的差異了。所以我們需要對(duì)宇宙做一次大規(guī)模的人口普查。看一下，除了恒星以外的物質(zhì)到底有多少？
首先是等離子體和氣體云，這兩種東西在星系、星系團(tuán)中，以及星系際介質(zhì)中大量存在，數(shù)量非常的可觀，不過(guò)它們基本上在可見(jiàn)光波段看不到。如果我們?cè)赬射線波段或者是紫外線波段觀察的話，就能看到等離子體了。
現(xiàn)在我們看到的這張照片是阿貝爾2744星系團(tuán)，里面包含了過(guò)熱的等離子體，溫度高達(dá)數(shù)千萬(wàn)攝氏度，在X射線波段有強(qiáng)烈的輻射，圖中藍(lán)色部分就是錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)觀測(cè)的結(jié)果，背景中的星系是哈勃望遠(yuǎn)鏡在可見(jiàn)光波段觀測(cè)的結(jié)果。
可以看出，等離子體大量地存在于星系，或者是星系團(tuán)之間，因此這種狀態(tài)的物質(zhì)也被稱為“暖熱星系際介質(zhì)”。
除了等離子體以外，在星系和星系團(tuán)的內(nèi)部還存在著大量的中性氣體云，經(jīng)過(guò)大量的測(cè)量，如果我們把氣體分子和等離子體都加起來(lái)，它們的總質(zhì)量只比恒星的總質(zhì)量大了7倍左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)補(bǔ)不齊50倍的窟窿，只能解釋所需引力效果的14%。
下面我們繼續(xù)尋找其他類(lèi)型的物質(zhì)，比如說(shuō)褐矮星。這是一類(lèi)失敗的恒星，它們的質(zhì)量介于13個(gè)木星到80個(gè)木星之間，低了就是巨型氣態(tài)行星，高了就是最小的紅矮星。
因此紅矮星不熱也不冷，雖然它不能進(jìn)行氫到氦的聚變，但還是可以生成一些氘，釋放出一些能量，不過(guò)這些能量不足以讓褐矮星發(fā)出可見(jiàn)光，所以我們只能在紅外線波段看到它們。
通過(guò)大量的搜尋，我們發(fā)現(xiàn)褐矮星的數(shù)量還不少，但它們的質(zhì)量比恒星要小得多了，因此它們對(duì)所需引力的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于1%。
除了褐矮星以外，在星系中還有一類(lèi)天體，它們不會(huì)發(fā)出任何可見(jiàn)光，也無(wú)法在紅外線波段看到它們，其中包括像月球、地球這樣的巖石星球，或者是像土星、木星這樣氣態(tài)星球。
想找到它們一般有兩種常用的辦法，凌星法和微透鏡法，凌星法說(shuō)的是，當(dāng)一顆行星距離它的母恒星比較近的時(shí)候，而且這顆行星還必須處在母恒星和地球的連線上，如果它現(xiàn)在經(jīng)過(guò)了母恒星的盤(pán)面，我們就會(huì)看到母恒星的亮度輕微的下降。通過(guò)這個(gè)方法我們就能發(fā)現(xiàn)一些系外行星了。
微透鏡說(shuō)的是，當(dāng)一顆行星距離它的母恒星比較遠(yuǎn)的時(shí)候，當(dāng)它經(jīng)過(guò)地球和母恒星的連線的時(shí)候，我們就會(huì)看到母恒星的亮度會(huì)輕微的上升，這是廣義相對(duì)論質(zhì)量彎曲時(shí)空的原因。
當(dāng)然還有一些其他的方法，比如視向速度法、天體測(cè)量法，甚至還有直接成像法等等這些方法，尋找系外行星，這類(lèi)天體還有一個(gè)比較高大上的名字，叫暈內(nèi)大質(zhì)量致密天體。我們通過(guò)尋找這些天體，經(jīng)過(guò)推算，這些東西的總質(zhì)量加起來(lái)最多也只能滿足所需引力的1%。
還有塵埃云，星系中的塵埃是由一些大小不同的物質(zhì)顆粒組成的，我們現(xiàn)在看到的這張照片中的星系叫M104，距離我們大約2800萬(wàn)光年，左下的圖像是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在可見(jiàn)光波段下拍攝的，右下的圖像是斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡在紅外線波段拍下的。
在紅外波段下，可以很明顯地看到M104的塵埃環(huán)，這類(lèi)物質(zhì)數(shù)量看起來(lái)非常多，但是在塵埃最多的星系中，它們的質(zhì)量也只有整個(gè)星系的1%。
最后剩下的一類(lèi)物質(zhì)就是已經(jīng)死亡的恒星殘骸，它們包括白矮星、中子星和黑洞，這些東西雖然發(fā)光不強(qiáng)，甚至不發(fā)光，但是我們還是有辦法能夠找到它們。
比如說(shuō)在無(wú)線電波段，我們可以找到中子星，通過(guò)引力透鏡我們可以發(fā)現(xiàn)黑洞，在紅外波段、或者可見(jiàn)光波段可以看到白矮星，經(jīng)過(guò)大量的觀察統(tǒng)計(jì)，我們發(fā)現(xiàn)這些天體的總質(zhì)量沒(méi)有現(xiàn)有恒星的總質(zhì)量大。所以依靠它們也不可能彌補(bǔ)引力的缺失。
那么總的來(lái)說(shuō)，就算把現(xiàn)在已知的所有類(lèi)型的物質(zhì)都加起來(lái)還是堵不住質(zhì)量缺失的這個(gè)窟窿，最多只能解釋所需引力質(zhì)量的16%。也就是說(shuō)，之前引力質(zhì)量比星光質(zhì)量大了50倍，現(xiàn)在這個(gè)窟窿被我們縮小到了差不多6倍。這說(shuō)明在宇宙中，還有一些我們不知道的東西，它們比我們已知的所有物質(zhì)多了將近5倍。
所以說(shuō)，通過(guò)大規(guī)模的人口普查，我們沒(méi)有解決質(zhì)量缺失的問(wèn)題，再加上人們根據(jù)螺旋星云中普通物質(zhì)分布的情況來(lái)看，大部分的物質(zhì)都聚集在星系的中心區(qū)域，越往邊緣物質(zhì)就越稀少，那么按理來(lái)說(shuō)它們的轉(zhuǎn)動(dòng)速度會(huì)明顯的降低，但事實(shí)上，即使在沒(méi)有星光的周邊區(qū)域，那里的轉(zhuǎn)速并不比中心區(qū)域的物質(zhì)慢。
因此人們就猜測(cè)，有一種我們看不見(jiàn)的物質(zhì)，它們不發(fā)光，也不反射任何光線，說(shuō)白了就是它們沒(méi)有電磁相互作用，但它們大量地彌散在星系的周?chē)?，組成了一個(gè)包圍整個(gè)星系的暈帶，稱為暗物質(zhì)暈。是它們給星系提供了額外的引力，使得星系的轉(zhuǎn)動(dòng)情況看起來(lái)好像不滿足現(xiàn)有的引力理論。
但這時(shí)就有人提出了不同的想法，也就是我們說(shuō)的第二種解決辦法。為什么我們非要覺(jué)得自己的引力理論就是正確的？如果引力理論是錯(cuò)的，就沒(méi)有所謂的暗物質(zhì)問(wèn)題了。
在1981年的時(shí)候，科學(xué)家“米爾格羅姆”首先提出了這個(gè)想法，他認(rèn)為我們現(xiàn)有的引力理論也只是在太陽(yáng)系的范圍內(nèi)進(jìn)行了驗(yàn)證，在大尺度上可能并不實(shí)用。
就像是牛頓當(dāng)年的理論，在強(qiáng)引力場(chǎng)下就需要做出修正，因此有了廣義相對(duì)論，現(xiàn)在我們?cè)诖蟪叨壬显趯?duì)引力理論做出修正，說(shuō)不定就會(huì)獲得意想不到的效果，因此他就提出了一個(gè)解決的辦法叫“修正牛頓動(dòng)力學(xué)”。簡(jiǎn)稱“MOND”。
其實(shí)就是給星系這個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)部分添加一個(gè)額外的加速度，至于這個(gè)加速度的大小是多少，可以根據(jù)星系轉(zhuǎn)動(dòng)曲線給它擬合出來(lái)，所以這就是一個(gè)純粹的經(jīng)驗(yàn)理論。
不過(guò)這個(gè)辦法確實(shí)挺好用的，現(xiàn)在我們看到的這個(gè)圖片就是'MOND'修正以后引力理論，和NGC1560星系的轉(zhuǎn)動(dòng)情況符合的很好。
再看一張圖片，圖中的紅線是暗物質(zhì)理論預(yù)測(cè)出來(lái)的星系轉(zhuǎn)動(dòng)情況，綠線是MOND預(yù)測(cè)出來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，藍(lán)色的誤差棒是實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)情況?？梢钥闯鰜?lái)，MOND在解釋星系轉(zhuǎn)動(dòng)的問(wèn)題上，甚至比暗物質(zhì)理論表現(xiàn)得還要好。
那這是不是就意味，修正牛頓動(dòng)力學(xué)就成功了，是一個(gè)正確的科學(xué)理論？老同學(xué)應(yīng)該知道，這還差得遠(yuǎn)，一個(gè)正確得理論不僅需要解釋現(xiàn)有得問(wèn)題，他還需要解釋舊理論已經(jīng)解釋得問(wèn)題，并且提出新得預(yù)言，然后得到觀測(cè)實(shí)證，所以說(shuō)MOND想要成功絕非易事。
事實(shí)也證明了，他不可能成功，因?yàn)殡m然他擬合了星系的轉(zhuǎn)動(dòng)曲線，但是卻解釋不了星系團(tuán)的轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，而且MOND也不能解釋廣義相對(duì)論所做出來(lái)的所有的預(yù)測(cè)，比如星光彎曲、引力紅移、引力透鏡等等這些已經(jīng)被觀測(cè)證實(shí)的現(xiàn)象。
所以說(shuō)，修正引力理論，在歷史上并沒(méi)有解決質(zhì)量缺失的問(wèn)題。而且從目前來(lái)看，我們的引力論好像也沒(méi)有啥問(wèn)題。至于以后會(huì)不會(huì)被修正，這是后話，至少在暗物質(zhì)問(wèn)題上，我們還不能拿引力理論開(kāi)刀。
而且在往后的發(fā)展中，人們也找到更多關(guān)于暗物質(zhì)存在的證據(jù)，下面我們就大概地了解一下就行了，這些證據(jù)都說(shuō)明了，我們的宇宙中真的有絕大部分的物質(zhì)是不可見(jiàn)的。
首先第一個(gè)證據(jù)來(lái)自于大爆炸核合成，以及微波背景輻射中光子的密度，再加上我們從原始?xì)怏w云中測(cè)量出來(lái)的氫、氦、氘、氦3、還有鋰7的比例，我們就能算出宇宙中重子的密度。進(jìn)而我們就能夠知道宇宙中有多少普通物質(zhì)了，通過(guò)這個(gè)測(cè)量我們也能夠知道宇宙中的物質(zhì)總量比普通物質(zhì)多了5倍。
第二個(gè)證據(jù)來(lái)自微波背景中的波動(dòng)模式，比如我們之前說(shuō)的重子聲學(xué)振蕩，有沒(méi)有暗物質(zhì)重子物質(zhì)都會(huì)發(fā)生振蕩，但有暗物質(zhì)存在，會(huì)表現(xiàn)出不同的振動(dòng)模式。具體可以看下之前的文章。
第三個(gè)證據(jù)來(lái)自于宇宙結(jié)構(gòu)的巡天項(xiàng)目，有暗物質(zhì)的存在可以幫助物質(zhì)結(jié)構(gòu)的快速形成，尤其是小尺度上的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，比如一些小型的星系，星系群。那么沒(méi)有暗物質(zhì)的話，宇宙中不會(huì)存在像麥哲倫星系這樣的小結(jié)構(gòu)，也不會(huì)有我們的本星系群。就算更大一點(diǎn)的星系團(tuán)這樣的結(jié)構(gòu)也會(huì)受到壓制。
因?yàn)榘滴镔|(zhì)不與光子發(fā)生相互作用，它可以在小尺度上率先快速地聚集，進(jìn)而促進(jìn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成。
其實(shí)我們現(xiàn)在完全可以在計(jì)算機(jī)上去模擬星系、星系團(tuán)、以及大尺度結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，我們可以任意地設(shè)定模擬程序的初始參數(shù)，比如說(shuō)給其中添加多少普通物質(zhì)，添加多少暗物質(zhì)，設(shè)定好最初物質(zhì)的分布情況，當(dāng)然這個(gè)模擬程序需要遵循已知的引力理論，然后開(kāi)始模擬。
結(jié)果我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)完全不含暗物質(zhì)的宇宙，跟我們現(xiàn)在的觀測(cè)事實(shí)不符，只要給其中添加了5倍于普通物質(zhì)的暗物質(zhì)之后，模擬結(jié)果就會(huì)和觀測(cè)事實(shí)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上吻合得很好。
所以事實(shí)證明了，大爆炸理論要想復(fù)現(xiàn)今天的宇宙，就需要存在5倍于普通物質(zhì)的暗物質(zhì)。好了，今天的內(nèi)容就到這里，下節(jié)課我們繼續(xù)說(shuō)暗物質(zhì)，這個(gè)話題真的很大，那么下節(jié)課我們說(shuō)一個(gè)，關(guān)于暗物質(zhì)最直接的證據(jù)，可以說(shuō)我們已經(jīng)觀測(cè)到了暗物質(zhì)所產(chǎn)生的引力效果。
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