宇宙學的標準模型也就是我們熟知的大爆炸+暴漲理論，這個理論的提出不是一蹴而就的，而是經過了多次的補充和修正！例如：暴漲理論就是多大爆炸的修正，而我們後來提出的暗物質是對宇宙模型的補充。暗物質自20世紀30年代首次提出到現在已有近80年的歷史了，但目前依據是宇宙學排行靠前的一大謎團！所以下面要說的就是小夥伴們比較關心的問題了：我們基於什麼樣的證據這麼確定暗物質的存在呢？還有沒有暗物質的替代理論呢？

我們今天就聊下暗物質的歷史，以及相關的一些問題！

哈勃極深場的偉大發現

如果你對外層空間、宇宙以及整個宇宙的構成感興趣的話，我相信你一定聽說過暗物質，或者是暗物質問題。那麼我們先來看看目前人類最偉大的望遠鏡觀測天空所得到的結果。

（並不是上圖這張照片）。這張照片是我們肉眼就可以看到天空的一小部分，只包含了我們星系中為數不多的幾顆暗淡的恆星，貌似這片天空中除了這些恆星以外什麼都沒有了，剩下的就是一片黑暗和虛無！

但事實真的是這樣嗎？我曾經說過：哈勃望遠鏡做過最偉大也是最“大膽”的舉動就是指向了這樣一個區域：沒有明亮的恆星，星系，或已知的任何星團或星群，意思就是對著一塊我們認為什麼都沒有的區域，並且經過長時間的曝光，以收集更多微弱的光線。上圖標著“XDF”的小區域就是哈勃極深場的位置（觀測位置），這個區域非常非常小，只佔了整個夜空區域的1/3200萬。就這樣一個看似空無一物的區域，你知道哈勃看到了什麼？

上圖就是著名的哈勃極深場，就這幅圖中就有5500個獨特的星系，這意味著整個宇宙中至少有2000億個星系，這還只是我們目前所能看到的部分星系，如果我們看得更深更遠呢？這個答案顯而易見，星系的數量會不斷的刷新人們的認知。

我們通過什麼方法判斷一個星系的質量

現在我們想想無論是在我們附近的星系還是數百億光年之外的星系，是什麼讓這些星系發光的。

這肯定是星系中的恆星為整個星系提供了光度！值得一提的是，在過去的150年左右的時間裡，天文學和天體物理學最偉大的成就之一就是：我們已經掌握了恆星的形成、發展、死亡和發光的原理。當我們測量整個星系發出的星光時，我們就可以準確地推斷出星系中存在何種類型的恆星，以及星系中恆星的總質量。

但我們需要記住一點：我們從星系、星系群和星團中觀察到的光，告訴我們這個星系、星系群或星團中的恆星質量是多少。但是通過測量星光推斷星系的質量並不是我們唯一判斷的標準！

除了星光，我們還可以測量星系是如何運動的，旋轉速度有多快，星系的相對速度是多少等等。根據萬有引力定律，如果我們測量星系的運動速度，就可以推斷出星系裡面有多少質量和物質！

觀測到的星系質量和引力預言的質量相差甚遠，以及暗物質問題的出現

我們應該清楚，萬有引力定律是一個普遍的理論，這意味著它在宇宙的任何地方都是適用的。支配太陽系的定律必須與支配星系的定律相同。所以我們有兩種不同的方法來測量宇宙中“大結構”的質量：

• 我們可以測量星系發出的星光，因為我們知道恆星是如何工作的，所以我們可以推斷出星系中恆星的質量。
• 我們可以測量星系是如何運動的。從萬有引力，我們可以推斷出星系的總質量。

現在我們要問一個十分關鍵的問題：這兩個數字匹配嗎?（我們需要知道一個事實：就太陽系中，太陽佔太陽系總質量的的99.86%）

這兩個數字不僅不匹配，而且相差甚遠！通過萬有引力計算的星系質量是我們觀察得到恆星總質量的50倍。無論我們觀察的是小星系、大星系、星系群還是星系團，結果都是如此。

這個數字告訴了我們一些重要的事情：

• 要麼構成宇宙質量98%的物質不是恆星，
• 要麼是我們對引力的理解是錯誤的。

不論是哪一個可能，都會對我們理解宇宙產生深遠的影響！我們先來看第一種可能。

除了構成星系和星團質量的恆星外，可能還有很多很多其他的物質，包括:

1. 一團不發光的物質，如行星、衛星、小衛星、小行星、冰球等
2. 中性和電離的星際氣體、塵埃和等離子體
3. 黑洞
4. 像白矮星和中子星這樣的恆星殘骸
5. 非常暗的恆星或矮恆星。

怎麼說！這些物質都可以為星系提供質量。但問題是，科學家也想到了，並且已經測量了這些物體的丰度。宇宙中正常物質(即由質子、中子和電子組成)的總量，包括輕元素的丰度、宇宙微波背景、宇宙的大規模結構以及各種天體物理測量，其中還有中微子的貢獻。這也就是我們目前知道的正常物質的總量。

我們現在知道：宇宙中大約有15-16%的物質由質子、中子和電子組成，其中大部分是星際(或星系間)氣體和等離子體，還有1%的正常物質以中微子的形式存在。那麼剩下的那一大片的物質，一定是一種具有質量，並且不與其他物質發生電磁作用，只會產生很微弱的弱相互作用的粒子！並且它不是標準模型中的任何粒子。

這就是我們常說的暗物質的問題。

其實我們能想到的，科學家也早都想到了！假設這種看不見的新型物質並不存在，是我們的理論出了問題，在大尺度上的引力定律是錯誤的呢？下面我們就說下這個想法！

暗物質的歷史，以及隨著時間的推移我們對暗物質的瞭解，難道我們的引力出了問題？

在早期階段人們對大規模結構的形成知之甚少。但從20世紀30年代開始，弗裡茨·茲威基(Fritz Zwicky)就開始測量星系團中來自星系的星光，以及各個星系之間相互移動的速度。這時他就注意到了上文中提到的：恆星的質量與必須存在質量之間存在巨大的差異，而足夠的質量是星系結構穩定的必要條件。

包括現在都有人對暗物質是否存在產生懷疑，所以在那個時候根本就沒人相信有看不見的物質！所以大約40年來，茲威基工作基本上都被科學界忽視了。

直到20世紀60年代，當人們開始進行大規模的宇宙學研究時，凱恩（F. D. Kahn）和沃特（L. Woltjer），他們研究了銀河系和仙女座星系的相對運動，其結果表明，除了茲威基的集群動力學問題（單個星系），在更大尺度上看到的結構需要一個不可見的、非重子質量源來解釋所觀察到的結果。(自那以後，2dF（上圖）和SDSS等研究也印證了這一情況)

在20世紀70年代，薇拉·魯賓(Vera Rubin)對仙女座中星體旋轉速度的研究發現，星系中星系外圍的星體旋轉速度並沒有因為遠離中心而減小，如果不存在其他物質提供引力，外圍的星體會因為高速旋轉而被甩出星系！但實際情況是，星系結構如此的穩定！所以這讓人們重新關注旋轉星系，以及各種研究展示出來的暗物質問題。

薇拉·魯賓(Vera Rubin)

根據對萬有引力定律以及對星系中正常物質密度的觀察，我們會認為，當遠離螺旋星系的中心時，圍繞星系中心旋轉的恆星會減速。這應該與太陽系的情況非常相似，水星的軌道速度最高，其次是金星，然後是地球，然後是火星等等。但自旋星系顯示的實際情況是，當逐漸遠離星系中心時，旋轉速度似乎保持不變。這告訴我們，星系中彌散著大量看不見的物質，在保持著星系的穩定，要麼就是我們的引力定律不適合大尺度結構，需要修改！

早期關於暗物質的替代方案——對引力模型的修正，其結果如何呢？

我們現在直到暗物質是對以上所有問題提出的最主要解決方案，但一開始沒有人知道暗物質是什麼？它的溫度特性是什麼？以及它是否/如何與正常物質或與自己發生相互作用。所以人們就提出了第一個主要的替代暗物質的方案。

在20世紀80年代的早期人們提出了MOND（修正牛頓動力學的縮寫），作為一種解釋星系旋轉的現象學、經驗模擬的理論。MOND在小尺度結構(星系尺度)上運行得確實很好（如上圖所示），但在所有大尺度模型上都失敗了。MOND不能解釋星系團，不能解釋大規模的結構，也不能解釋輕元素的丰度等等。

MOND除了在解釋大尺度結構上的失敗之外，它也不是一個可行的引力理論。這意味著MOND不能解釋星光因質量而產生的彎曲、引力時間膨脹或光線紅移、雙脈衝星的行為或其他任何符合廣義相對論的引力現象。如果真的要對引力理論做出修正，我們需要的是一個相對論性質的引力版本，它既能解釋星系的旋轉曲線，也必須解釋我們目前的引力理論所成功預測的所有現象。

總結：只有引入暗物質，宇宙才能在大尺度上完好的運行並與我們的觀測相符

然而，隨著時間的推移，暗物質理論開始在宇宙學的觀察中取得了巨大的進步。隨著我們對宇宙更大尺度的觀測和對宇宙微波背景波動的(下圖)精確測量，人們發現只要引入暗物質，宇宙在所有的尺度上都將符合預期的觀測結果。

換句話說，一個由比正常物質多五倍的暗物質組成的宇宙與所有最新的觀測結果高度一致。

這是暗物質的巨大勝利，也是對所有修正引力模型的否定。這就是為什麼我們如此確定暗物質存在的原因。