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暗物质|科学家怎样证明暗物质的存在？

暗物质是指宇宙中那些我们看不见的物质 。它占了宇宙质量的大部分 ， 但不会发出光线 。不过 ， 它们的引力可以作用于一切物体 。
宇宙中的全部物质都好像被一大团沉重的、看不见的东西拉扯着一样 ， 但天文学家还不确定这种“东西”究竟为何物 。
科学家已知存在的大部分暗物质都位于所谓“光晕”、即星系内部的云团之中 ， 但有一个问题：根据计算机模拟结果 ， 这些暗物质核的表现并不符合它们应有的表现 。常说 ， “眼见为实” ， 那么科学家为什么认为不可见的暗物质是存在的呢？ 来自两大领域的证据
自茨威基二十世纪30年代发现并命名“暗物质”后 ， 直到二十世纪70年代 ， 证明暗物质存在的研究才真正取得进展 。为什么在长达四十年的时间里 ， 暗物质研究都没有进展呢？
当时 ， 天文学家刚刚意识到星系是由恒星组成的巨型集合体 。茨威基观测后发座星系团时 ， 对爱因斯坦理论的验证刚刚起步 ， 首次宇宙测量正在进行 ， 核物理学家刚刚开始发展解释大爆炸和超新星的理论 。星系复杂而遥远 ， 暗物质问题没有立即引起天文学家的关注 ， 也不足为奇 。
二十世纪70年代早期 ， 技术、天文学和粒子物理的进步为暗物质研究奠定了基础 。广义相对论和核物理在关于早期宇宙的大爆炸理论中“携手” ， 更大的望远镜和更精准灵敏的光探测器提升了天文观测的速度和质量 ， 微型计算机的降价使从事物理和天文研究的机构有能力购进用于天文计算的高性能计算机 。各领域的进步都为拉开暗物质综合研究的序幕做好了准备 。不久 ， 两个重要的研究“应运而生” ， 来自计算机模拟和天文学观测的证据再次证明宇宙中存在暗物质 。
1973年 ， 供职于普林斯顿大学的天文学家欧斯垂克（Jeremiah Ostriker）和皮伯斯（James Peebles）使用数值模拟研究星系演化 。他们应用多体数值模拟（N-body simulation）将300个质点编入计算机程序 ， 以此代表一个星系中围绕中心点转动的恒星群 。在他们模拟的星系中 ， 靠近中心处的质点较多 ， 边缘处的质点较少 。模拟运行时 ， 程序通过牛顿定律计算每对质点之间的引力 ， 显示出质点在短时间内如何运动 。通过多次计算 ， 欧斯垂克和皮伯斯能够“追踪”星系中所有质点在长时间内的运动情况 。
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欧斯垂克和皮伯斯
欧斯垂克和皮伯斯发现 ， 大部分质点在一个轨道周期（质点环绕轨道一周需要的时间）内就会“压缩”为接近星系中心的高密度条状物 ， 仅有少数质点向更靠近边缘处的位置运动 。这与通常情况下观测到的优美的螺旋形或椭圆形星系完全不同 。但如果在模拟中加入相当于所有质点总质量3-10倍的均匀分布的静态质量 ， 输出的星系结构就变得合理了 。欧斯垂克和皮伯斯的数值证据可以证明 ， 要形成我们观测到的星系结构 ， 暗物质的参与是不可或缺的 。
与此同时 ， 供职于华盛顿卡内基研究所的天文学家福德（Kent Ford）和鲁宾（Vera Cooper Rubin）开始对仙女座星系（galaxy of Andromeda）的恒星运动进行细致观测 。星系非常庞大 ， 即便是以每秒200公里的速度运动的恒星 ， 看起来也像是静止的 ， 天文学家需要通过多普勒频移计算其运动速度 。早期 ， 测量仙女座星系不同部位的恒星速度极为困难 。当时 ， 用于测量频移的光谱仪很长时间才能聚集足够的光线 ， 对仙女座星系某个特定部位的观测需要耗费数小时甚至数个夜晚 。整合几次观测的图像也面临重重挑战 ， 结果经常出现误差 。70年代早期 ， 更加灵敏的光探测器缩短了观测时间 ， 为在更大范围内进行星系观测带来曙光 。
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