暗物質如腳手架 撐起宇宙星系

【大紀元3月21日訊】最近研究人員首次繪製了暗物質分布圖，被認為是迄今為止宇宙學的最大成就之一。那麼，暗物質這個時髦的科學名詞究竟是什麼﹖它真的存在嗎﹖它又意味著什麼﹖新紀元週刊第七期刊登了兩篇關於暗物質的文章，分別介紹了關於暗物質的最新發現和暗物質研究的歷史。我們在這裡刊登如下，希望能籍此給讀者提供一些知識和分析。

正文﹕

古希臘哲學家柏拉圖認為：看得見的是看不見的影子。對今天的天文學家來說，看不見的暗物質對於看得見的物質，意味著什麼呢？

科學家最近繪製了宇宙中暗物質的分布圖。這是人類第一次分析暗物質在較大範圍的結構，並且證實了一個假說，即暗物質就像腳手架一樣，支撐著宇宙中的一切物質。

加州理工學院的斯科維爾（Nick Scoville）帶領70餘位世界各國的天文學家，利用哈勃望遠鏡，對太空進行了「宇宙演化勘測」（COSMOS）的大範圍觀測。據歐洲航天局報導，這一次太空觀測的範圍大約相當於10個滿月的面積。

加州理工學院另一位學者梅西（Richard Massey）所率領的研究團隊根據COSMOS的結果，繪製了暗物質三維分布圖像，發現暗物質就像一張無形的網絡，瀰漫在宇宙間。

天文學家發現，同一範圍的物質（星系）分布和暗物質分布大致一樣。而且，像星系這樣的物質是匯集在高密度的暗物質網絡上的。

其實科學家很早以前就發現，觀測到的星系規模和星系質量不相配。按照萬有引力定律，許多星系規模太大，會因為自身引力不足以維持其結構而分崩離析，但是事實並非如此。

如今這個謎終於有了比較確鑿的答案：是暗物質將宇宙的星系固定在相應的位置上。科學家推測，暗物質占宇宙總質量的5/6，遠遠大於可見物質的質量，然而，卻因為看不見，就只能通過觀測結果計算和推測。

科學家還發現，暗物質在宇宙漫長的歲月中漸漸解體，由完整的結構逐漸變成一個個的團塊。理論認為，這種解體過程是由於其自身重力作用的結果。

研究人員表示，這張「暗物質三維分布圖」堪稱宇宙學的最大成就之一。

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漫談暗物質
–宇宙演化中起重要作用 然真實面目仍是謎

作者﹕莫心海

我們平常能看到的物質（常規物質），包括組成這些物質的微觀粒子，比如中子、質子、電子，科學家能夠通過接收它們所發出或反射的電磁輻射觀察到。與之對應的暗物質是指另類發出或反射很少的電磁輻射而不能被直接探測到的物質。暗物質雖然不能被直接觀察到，但在天文學上，科學家已經發現很多證據，足以證明暗物質的存在。

*對暗物質的早期猜測

暗物質存在的最早證據，在1930年代為荷蘭科學家簡‧奧特（Jan Oort）所發現。當研究近臨星系中恆星在星系平面附近運行時，奧特計算出了恆星運行的速度。據觀察，恆星能夠繞著星系運行而不離開星系，他推斷，星系周圍一定有足夠的物質施加引力，將星體約束住，就像太陽將各大行星約束在太陽系中各自的軌道上。

奧特據此推算，星系的總質量必須有能觀察到的物質的三倍之多。他並沒有提出暗物質的概念，但他認為，更精確的測量會消除這一矛盾。

1933年，據瑞士天文學家弗里茲‧茨維奇（Fritz Zwicky）研究，以冒號星系團中7個星系組成的一個小星系組的運行速度，用牛頓定律算出了星系團的「動力學質量」，然後和根據星系的發光強度推算出的星系團質量（發光質量） 相比，他驚訝的發現，動力學質量竟是發光質量的400倍！

科學家一般認為，動力學質量比發光質量更加可靠，因為任何物質之間都有引力作用。但發光質量則不同，其推算需要一系列假設。但當茨維奇宣布這一結果時，卻由於他性格強硬、人緣不好，遭到了廣泛的質疑和批評。

1936年，辛克萊爾‧史密斯（Sinclair Smith）發現了相似的現象，計算出的室女座星系團的動力學質量，比埃丁文‧哈勃（Edwin Hubble）估計的發光質量大200倍。但當時很多天文學家認為，星系團不是一種穩定的結構，觀察到的快速運動並不能證明暗物質的存在，加上當時宇宙膨脹才發現不久，暗物質的問題就逐漸被淡忘了。

*暗物質再次受重視

一晃幾十年過去了，直到1970年，暗物質的問題才重新被提出來。在對螺旋狀星系仙女座星系星體運動的研究中，美國天文學家伏拉‧魯賓（Vera Rubin）得到了星系旋轉曲線，用以描繪星體運動速度隨距離星系中心的變化。從旋轉曲線，可以推算出星系中的質量分布。

比如，我們只要知道太陽系中某個行星的旋轉速度和它到太陽的距離，就可以算出太陽的質量，當然星系中的質量分布要複雜些。如果星系質量是按照發光質量分布，旋轉曲線應該在距離星系中心約1萬光年達到最大，然後減小。

所以處於星系邊緣的星體的旋轉速度應該隨著距離的增大而減小。太陽系中的行星旋轉也類似，離太陽越近的行星旋轉越快，離太陽越遠的行星轉速越小。地球繞太陽公轉速度約為每秒30公里，而距離太陽更遠的土星轉速只有約地球的1/3。

但是魯賓發現仙女座星系的星體似乎轉得太快了，其他的螺旋星系也發現了類似的情況，旋轉曲線是平坦的，也就是說，速度並沒有像預期那樣隨著距離的增大而減小。上個世紀80年代的許多測量也都證實了魯賓的結論。

魯賓的觀測結果提出了一個尖銳的問題。一個可能的解釋是，存在龐大的不可見的物質暈環圍繞著星系，不可見物質的總質量高達星系總質量的90%以上。所以，星系中所有的星體都處在暗物質的包圍中，幾乎都處在包括暗物質的星系的中心，沒有處在星系中速度應該衰減的區域。研究表明，星系中的暗物質暈環一直延伸到距離星系中心15萬光年的地方。

另外，在超級星系團中，也發現了類似的想像。發現暗物質質量是常規的發光物質的300倍。至此，科學家們普遍相信暗物質的確存在。但是暗物質到底占了星系總質量的多少，還沒有一個令人信服的數字。

*現代天文學對暗物質的研究

從上個世紀90年代到本世紀初，美國航空航天局（NASA）先後發射了幾個太空望遠鏡，這些望遠鏡已經成為科學家研究太空的有力工具。

2001年9月6日，英國劍橋大學的一個科研小組公佈了關於暗物質的研究結果。他們利用美國航空航天局（NASA）錢德勒X射線觀測站（ Chandra X-ray Observatory ）測量了5個分別在15億和40億光年以外的星系團的質量，並且將探測其結果與星系團應該具有的質量進行了比較。

他們發現星系團中，所有恆星和高溫氣體的質量總和占星系團真正質量的13%。因為星系團是構成宇宙的主要部份，所以天文學家認為，暗物質占整個宇宙的87%左右。

科學家發現在大尺度上，宇宙中物質的分布就像一個巨大的纖維網，質量分布密度大的地方是網絲，而星系就分布在纖維的節點上。在宇宙大尺度上，暗物質和常規物質有著同樣的分布規律：它們被嵌入幾乎是一模一樣的「纖維網」中。

2006年8月21日，據NASA錢德勒望遠鏡新聞中心報導，科學家在兩個大星系團的巨大碰撞中，首次發現了暗物質存在的證據。科學家用錢德勒望遠鏡、歐洲南方天文臺的超大型望遠鏡、麥哲倫光學望遠鏡以及哈勃太空望遠鏡，觀測了這次發生在子彈星團的碰撞。

錢德勒望遠鏡用於測量高溫氣體發出的X射線，所以可以推算出星系團的常規物質質量。而其他望遠鏡則通過引力透鏡效應（光線經過星系附近時，會受到星系吸引而發生偏折，類似透鏡對光的偏折作用）測量星系團的總質量，從而推算出碰撞星系團中的暗物質分布。

研究發現，暗物質的熱氣體在碰撞後發生了分離。科學家解釋，這是因為熱氣體在碰撞時，受到粘滯阻力而變慢，而暗物質和暗物質以及熱氣體之間，只有引力作用，沒有受到阻力，從而使得兩種物質分離開。如果沒有暗物質，則這種分離很難解釋。科學家認為，這是暗物質存在的直接證據。

暗物質分布是通過引力透鏡效應推算出來的。研究表明，宇宙中的物質不是均勻分布，而是分布在海綿狀的巨大纖維結構中。得到的結果和常規物質的分布對比表明，常規物質匯聚在暗物質分布集中的區域。

科學家認為，暗物質在宇宙早期的演化過程中，對星系中的常規物質聚集成為星系結構，起著至關重要的作用，可以說，暗物質是建造宇宙的腳手架，而星體和星系則在暗物質的構架中匯集成形。如果沒有暗物質的存在，宇宙中就沒有足夠的質量，使得物質聚集成形和形成星系。詳見前文〈暗物質分布圖繪製宇宙學偉大成就〉。

科學家提出了各種各樣關於暗物質的猜想，但是還沒有一個理論得到令人信服的實驗結果的支持，可以說，暗物質這個「另外的世界」的真實面目至今還是個謎。

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