暗物质是如何被发现的

暗物质与宇宙模型系列作品5。

1933年，加州理工大学的瑞士天文学家茨威基在研究星系团时发现了奇怪的现象：外围星系相对于星系团中心的运动速度似乎太快了。

茨威基的同事史密斯用当时世界上最好的望远镜收集了星系团中成员星系的速度。利用引力理论，天文学家可以通过星系的运动速度推断星系团的总质量，星系的运动速度越快，说明束缚它们的引力场越强大，也就意味着星系团的总质量越大。而茨威基通过星系速度推断出星系团质量显得太大了，要比星系的质量多出几百倍。

茨威基很快将星系团中隐藏的物质命名为“暗物质”。但由于缺乏其它的独立观测证据，在之后的三十年里，暗物质的概念不时被人提起，却又没有人认真对待。

1960年后，一个证据来自临于一个漩涡星系。由于长缝光谱仪的发展使得天文学家可以一次拍摄河外星系不同区域的恒星轨道运动速度，也就是所谓的“星系旋转曲线”。与星系团中的星系运动同理，星系中恒星的轨道运动越快，意味着星系质量越大。

美国卡内基研究所的鲁宾(Rubin)和福特(Ford)在此后的十年间系统地调查了近邻星系的旋转曲线。研究结果表明所有的旋臂星系外围的恒星似乎都转得太快了，如果星系主要的质量只来自可见物质，那么这些星系外围的恒星应该早已逃逸而去。这些近邻的漩涡星系中至少应该包含比可见物质多6倍的暗物质，才能解释观测的旋转曲线。

有人认为恒星远没有用尽宇宙中的氢氦元素。然而在20世纪70年代，星系团的观测有了新的进展。这些气体的温度非常高，这使得它们可以发出X-ray辐射。通过X-ray卫星观测，人们就可以估计星系团中气体的质量，而这一质量惊人地达到了恒星质量的5倍。

但这些新发现的气体并不能解释消失的质量。事实上，热气体的发现反而加剧了质量缺失问题，因为这些气体温度太高了，如果没有强大的引力势阱束缚，这些气体就会在很短的时间里从星系团中逃逸殆尽。而束缚这些气体所需要的物质量，又是这些热气体质量的10倍左右。

     子弹星系团是宇宙中一大一小两个星系团相撞后留下的混合体(1E0657-558)。因为这个星系团就像一颗子弹从较大的星系中贯穿而过。不过，通常还是习惯将相撞后的两个星系共称为子弹星系团。通过分析子弹星系团产生的引力透镜效应，发现了暗物质存在的有力证据。该图综合利用了哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台和大麦哲伦望远镜所收集的数据合成的子弹星系团图像。

星系团热气体的发现促使科学家严肃考虑暗物质粒子。这些不可见物质并不是原子、分子等可见物质所构成的可见物质，而是另一种不在标准模型中的基本粒子。这种暗物质不发光，但可以通过暗物质的引力效应观测到它。利用引力透镜效应可以绘制暗物质在宇宙中的分布。

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