看不見的暗物質是如何被發現的？

今天，暗物質的存在已經成為科學界的共識，許多科學家致力于暗物質的觀測和研究。我國也發射了專門的暗物質粒子探測衛星——悟空。那么，暗物質是如何被發現和命名的呢？這要從天文學家茨威基極其認真的大量觀測與極富想象力的大膽推測說起。

茨威基的觀測與推測

二十世紀30年代早期，供職于加州理工大學的瑞士天文學家茨威基（Fritz Zwicky）研究后發座星系團（Coma Cluster）的星系運動時，發現了暗物質的引力效應。后發座星系團由約1000個星系組成。引力將不同的星系“約束”成團，也就是星系團。與太陽系不同，這些星系不圍繞類似于太陽的大質量中心物體轉動，其運動軌道更加復雜。

茨威基在望遠鏡前進行觀測

茨威基說服加州理工大學建造了一個18英寸的施密特望遠鏡，以便用單張廣角照片拍攝到大量星系。茨威基用新設備對后發座星系團中的所有星系進行觀測，并通過測量這些星系光譜的多普勒頻移計算出其運動速度，之后應用了維里定理（virial theorem）。維里定理將做軌道運動的物體的速度與其所受的引力關聯起來。牛頓的理論告訴我們，引力和物體質量成正比，茨威基依據他測量的星系速度推算出后發座星系團的質量。

為暗物質提供最早證據的后發座星系團

茨威基還計算了后發座星系團中所有星系的光輸出量的總和（包括萬億顆恒星）。他將后發座星系團的質光比（光輸出量的總和與總質量的比）與附近的卡普坦恒星系（Kapteynstellar system）進行比較，發現單顆卡普坦星每個質量單位的光輸出量是后發座星系團的100多倍。茨威基由此推測，后發座星系團中包含大量不發光的物質，他將其稱為“暗物質”。

換個角度來解讀

已故的著名天體物理學家、中科院院士陸埮曾總結道，有兩種測量宇宙質量的方法——力學方法和光度方法。力學方法可以測量出物質的總質量，光度方法可以測量出發光物質的總質量。

各種測量都表明，力學方法所測出的質量遠遠大于光度方法所測出的質量。而且，探測的范圍越大，測量結果差別越大。

如果在被觀測區域，只存在那些可觀測到的發光物質，是無法解釋這種差別的。于是有人提出了“暗物質”這一概念，也就是說，在這些區域，存在一些有質量的物質，是不發光的。一開始，還有持其他意見的學者認為不存在暗物質，他們提出，采用修改引力定律的方法，也能夠解釋這兩種測量結果的差異，但隨著觀測結果的增多，這種修改變得越來越困難，也更加證明了暗物質的存在。

我們可以得出結論：宇宙中存在大量暗物質，而且范圍越大，暗物質比發光物質多出的量就越多。

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