暗物质|科学家怎样证明暗物质的存在？( 二 )
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鲁宾正在测量星系光谱 ， 她用看起来像显微镜的设备发现光谱中的微小差别 ， 通过这些差别得出星系各个部分转动的速度 。
福德和鲁宾用新的探测器测量了仙女座星系内部和附近氢气云的速度 。这些氢气云绕星系做轨道运动 ， 这在很大程度上类似于恒星在星系内部的轨道运动 。福德和鲁宾设想 ， 与边缘处的氢气云相比 ， 星系可见边缘外的氢气云应该以更慢的速度运动 。倘若星系的质量集中在发光之处 ， 福德和鲁宾的设想就符合维里定理的推测 。但他们的发现恰恰相反：星系可见边缘外的氢气云的轨道速度保持不变 。如果牛顿引力定律是正确的 ， 星系可见边缘外必定存在额外的不发光的物质 。鲁宾认为 ， 如果仙女座星系符合牛顿引力定律 ， 该星系必定含有暗物质 ， 离星系中心处越远、暗物质的数量越多 。
下图中的绿点表示实际观测到的M33星系中物体的轨道运动速度（竖轴）和该物体到星系中心点距离（横轴）之间的关系 。位置较低的黄色虚线表示根据星系内的发光物推算的M33星系内物体的轨道速度 。绿色的点明显与虚线不符：星系外的物体的轨道速度远快于预期 。但如果星系中含有大量不发光物体 ， 远离星系中心的物体就会以更快的速度运动 。绿色实线是以M33星系内含有暗物质为前提推算的物体轨道运动速度 。这些轨道运动曲线为暗物质的存在提供了强有力的间接证据 。
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第三种证据
【暗物质|科学家怎样证明暗物质的存在？】到上世纪70年代末期 ， 两种关于暗物质的证据已“脱颖而出” 。星系团内的星系运动和气体云绕个体星系的运动证明 ， 要么星系和星系团中存在大量看不见的物质 ， 要么我们对引力的理解从根本上就是错误的 。而对星系形成的模拟也显示 ， 要形成我们在夜空中观测到的螺旋形和椭圆形星系 ， 大量暗物质的参与不可或缺 。上世纪90年代 ， 随着大气层外的射电望远镜“绘出”宇宙微波背景（cosmic microwave background） ， 第三种证据浮出水面 。
新的证据来自早期宇宙 。天体物理学家相信 ， 大爆炸发生约一秒钟后 ， 由质子、中子、光子、电子和其它次原子粒子组成的致密混合物充斥了宇宙 。当时温度极高 ， 以至于电子无法与质子结合形成原子 。所有粒子高速分散 ， 使所有存在形式保持相同的温度 ， 即彼此处于热平衡状态 。光子也在远离带电的质子和电子 ， 但它们无法到达很远的地方 。
在宇宙膨胀的过程中 ， 温度下降至约10亿开氏度 。质子和中子开始结合 ， 形成原子核 。在大爆炸发生约39万年后 ， 持续的膨胀和降温使宇宙温度下降到约3000开氏度 。此时 ， 所有电子和质子均已结合形成电中性的氢原子 ， 所有其它带电粒子均已衰变 。初始时期的氢气形成后 ， 宇宙对于光子来说变得“畅通无阻” ， 此后的130多亿年中 ， 它们始终在宇宙中穿行 。这些来自早期宇宙的“古老”光子带有一个微波波长 ， 也就是人们所说的宇宙微波背景 。
中性的氢气形成前 ， 物质在空间中几乎是均匀分布的 ， 但量子力学的波动会引起普通物质和暗物质密度的微小变化 。引力将普通物质和暗物质拉向每次波动的中心 。暗物质向中心移动时 ， 普通物质会填充进来 ， 直至光子的压力将其推回并导致普通物质向外移动 。引力的压力超过光子压力时 ， 物质才会再次向内填充 。每次波动“周而复始” ， 波动频率由其大小决定 。这种起伏会影响普通物质的温度 ， 使其在向内填充时升温 ， 向外移动时降温 。暗物质不与光子发生相互作用 ， 不受这种效应的影响 。
中性的氢气形成时 ， 物质向内填充过的区域比周边区域温度高 。反之 ， 物质“流出”的区域温度相对较低 。物质在空间不同区域的温度以及与其保持热平衡的光子能够反映出暗物质在初始密度波动中的分布情况和普通物质的情况 。电子和质子形成中性氢气时 ， 这种温度变化模式被“冻结”在宇宙微波背景中 。因此宇宙微波背景中的温度变化图能够揭示大爆炸发生39万年后不同类型物质的位置和数量 。
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