为什么确信暗物质存在？修改引力理论是否能解决暗物质问题？

暗物质问题在宇宙学中一直处在未解问题的最顶端。暗物质是什么？在哪里？如果暗物质真的存在，我们应该如何测量它？这些都是宇宙学重要的前沿问题。这种难以捕捉的物质影响着我们的星系的运动，这也是我们星系可以稳定存在、物质分布如此特殊的原因！目前暗物质只是被间接的探测到，并没有直接确切的证据表明暗物质的存在。那么是什么让暗物质问题一直以来经久不衰，始终萦绕在宇宙学家的心头？

因为关于暗物质的想法来自我们确切的观察数据。我们相信自己的眼睛看到的一些完全独立的宇宙学和天体物理现象，这些现象不能在其他理论框架中得到解释，但是可以通过暗物质的存在来解决。下面就说下我们在宇宙中看到了什么？

1、星系团质量缺失问题

3.21亿光年外的后发星系团

在宇宙中，各种大小的天体都在其特定的轨道上运行：行星围绕太阳公转，恒星绕着银河系中心旋转，单个星系则成群互相旋转。要想使宇宙中的结构紧密地结合在一起，物体所感受到的引力必须与运动所产生的能量相平衡。一个快速运动的物体，其动能越大，就越容易挣脱引力的束缚。

1933年，弗里茨·兹威基（下图）正在研究离我们最近的大星系团：后发星系团（上图）。

兹威基利用维里定理（将一个系统的平均动能和总势能联系起来的方程）推断出了整个星团的引力质量。然后将引力质量与通过星系中明亮的发光物质（恒星和气体）推断出的光学质量进行比较。这两种方法都是测量星系、星系团质量的方法，如果我们的理论正确，那么这两个数字（引力质量和发光物质的质量）应该互相匹配，至少误差不大！但是兹威基发现来自发光物质的质量不足以保持星团的束缚状态，而且比推测的引力质量小了将近5倍（一开始是50倍，最后东拉西扯找了一些不发光的尘埃、冷气体、死亡恒星、行星、冰岩石硬是凑到了大约5倍）。

假设每个星系的质量都是由发光的物质构成的，那么星系团中的星系并不会聚集在一起！这就是我们所说的质量缺失问题，后来也创造了“暗物质”这个术语，用来描述一些看不见但必须存在的物质，是暗物质的存在将星系团紧紧的束缚在一起。

2、星系旋转曲线问题

在星系内部我们也观察到了类似质量缺失的证据。根据标准的牛顿力学，我们预测：当从星系的中心移动到星系的外边缘时，恒星的运动速度会下降。但在20世纪60年代研究仙女座星系时，维拉·鲁宾（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）发现了一些非常奇怪的现象：不管恒星离银河系中心有多远，恒星的运动速度几乎保持不变。

1975年鲁宾和福特在美国天文学年会的一次会议上提出，兹威基的发现以及后来对螺旋星系中恒星速度的许多观察都暗时我们：星系的实际质量不能完全由我们用望远镜所能看到的物体来决定。相反，如果星系的大部分质量存在于一个弥漫的暗物质“光晕”中，并且“光晕”的范围远远超出了发光物质（星系）的边缘，那么观测到的星系旋转曲线就可以得到解释。

3、宇宙微波背景

宇宙微波背景（CMB）是我们宇宙早期的快照。它告诉了我们宇宙早期的大小尺度上的密度分布，以及结构形成时的一些详细细节！我们在对CMB的观察中看到的波动模式是由作用于物质上的两种力量之间的竞争建立起来的：

这两种力来回的拉扯和竞争，导致了光子和物质在稠密的区域内来回振荡，我们称其为重子声波振荡。如果宇宙除了正常物质外，还有部分暗物质的话，这种振荡模式就会受到极大的影响。暗物质的存在会在宇宙微波背景辐射的观测中留下了独特的印记，因为暗物质不会受到辐射压力的影响（暗物质不与光子互动），首先会聚集成稠密的区域，导致物质很快会在引力的作用下坍缩。

无论有无暗物质，我们都可以预测宇宙微波背景辐射中的重子声振荡，如果有暗物质的存在，我们就可以观察物质功率谱。微波背景辐射的功率谱向我们展示了不同大小尺度下的光子和物质的振荡强度。威尔金森微波各向异性探测仪（WMAP）是第一个测量微波背景辐射功率谱的仪器，表明暗物质缺失存在影响了最初的结构形成！

4、子弹星系团

2006年，哈勃太空望远镜和钱德拉x射线天文台发布了关于一个被称为子弹星系团的天体碰撞事件。这个星系团实际上是两个星系群，它们经历了高速碰撞，迫使每个星系团的物质融合在了一起。通过两个望远镜的观测，我们可以用两种方法测量碰撞后星团质量的位置分布情况：x射线下的光学观测和引力透镜效应。

我们可以通过x射线来判断两个星系群相撞后正常物质的分布情况。在一个星系团中，气体粒子弥漫在每个星系群之间的空间中，占普通物质质量的90%。当两个星系群发生碰撞时，气体粒子会因为相互碰撞而被加热，从而导致x射线发射的亮度增加。通过这个我们可以知道相撞后气体的能量和位置。

引力透镜效应的产生是因为物质并不是唯一能感受到引力作用的东西，光线也可以。这意味着一个质量巨大的物体可以产生透镜效应；一个向各个方向发光的背景光源，如果这个光源发出的光经过一个质量巨大的物体，那么光线就会被聚焦。通过测量这些聚焦图像，我们可以推断出我们和光源之间产生透镜效应物质的位置和质量。

如果星系团完全由普通物质组成，那么光学观测到的质量位置和引力透镜计算出的子弹星系团碰撞后的质量位置应该重叠。但是观察结果显示出了明显的不一致。在光学上可见的物质告诉我们，质量应该集中在图像的中心附近，用红色气体表示。来自引力透镜的质量分布，用蓝色表示，星系群质量的分布实际上分成两部分，就在星系群正常发光物质的两侧！通过暗物质的作用，这种行为很容易解释如下：

最终我们得到了什么结论？星系团之间的高速碰撞应该会使星系团中大部分质量（暗物质的形式）不受阻碍地互相穿过，而正常物质则会碰撞、减速、升温，释放出x射线。

5、大规模的结构形成

当斯隆数字巡天计划（Sloan Digital Sky Survey）等望远镜绘制出宇宙中星系的位置时，其最大的特征被称为大尺度丝状结构，这种物质聚集的模式在只有普通物质提供引力的情况下是不可能出现的。刚才我们讨论CMB时已经提到了，由于引力和辐射压力的相互作用（来回拉扯），普通物质就无法有效、及时地聚集成稠密的物体。但是物质在宇宙微波背景辐射之后发生引力坍缩的时间比较短，包括我们现在观察到的结构在演化上尺度十分庞大。

暗物质就提供了一个合理的解释。因为暗物质不经历与物质和光子相同的振荡，所以暗物质就可以自由地坍缩，形成致密的区域，这有助于结构的形成，并使星系和星团的分布成为我们今天所看到的样子。

现在我们将这五个独立的间接证据放在一起，就为我们提供了暗物质存在的令人信服的理由。如果我们细看每一个解释，都有一个共同的主题：引力问题。每一个间接的证据都依赖于暗物质提供的额外引力才能解释我们观察到的现象。因此还有另一种选择！

是不是我们的引力理论出了问题？

天文学家、天体物理学家和宇宙学家谈论暗物质时，就好像暗物质必然存在的一样，但也有很多人不这么认为。由于我们还没有直接探测到暗物质，而暗物质存在的证据主要集中在引力相互作用上，一个负责任的科学界会问:“我们观察到的一切异常现象会不会是因为我们的引力理论还不够完善？”

一些研究小组一直在解决这个问题，研究MOND（修正的牛顿引力理论）等理论。到目前为止，修正引力的理论已经成功地描述了其中一个特性：星系旋转曲线，但还没有像暗物质那样可以解释完整的观测异常。

我们知道修正引力理论并非易事。我们对整个太阳系中，引力对物体的影响进行了极其精确的测量，这些测量精确地符合广义相对论对引力的理解。如果我们想要改变万有引力理论，就必须解释广义相对论目前能解释的所有现象，还要解决暗物质问题带来的所有问题。这基本上不可能实现。

总结：所有的观测和理论都指向了暗物质

以上五个原因并不是我们对暗物质存在的全部观察证据。还有大爆炸核合成（BBN）解释了像氦这样的轻元素在大爆炸后几分之一秒内形成的方式，它告诉我们重子物质在宇宙中的丰度，也就是我们已知宇宙中正常物质的量，这些量并不能解释从其他观测中推断出的宇宙总物质含量。

对原始气体云（中性的氢气）吸收来自背景星系和类星体光线的观测，即所谓的莱曼-阿尔法森林，这些吸收线为我们提供了关于暗物质团块位置的信息、原始气体云形成的时期以及暗物质粒子的温度。

在我们几乎观察到的每一个地方，宇宙似乎都在给我们暗示：暗物质肯定存在。从早期宇宙到现在，从银河尺度到宇宙中可观测到的最大尺度，所有这些间接证据都指向了同一个结论：暗物质问题！