暗物质的发现:从 Fritz Zwicky 到 Vera Rubin

1933 年,Fritz Zwicky 正在研究后发星系团中的几个星系。这是一个由 1000 多个星系组成的星团,距离我们大约 3.3 亿光年。zwicky 发现这个星系团中的星系移动得太快了,以至于没有足够的质量可以将星系团聚集在一起。在今天,测量宇宙的一些参数仍然很棘手,更不用说在 1933 年了,那么 Zwicky 是如何进行测量的呢?

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首先,我们必须用某种标准蜡烛测量距离。标准蜡烛是一颗亮度可预测的恒星,如造父变星或 1a 型超新星。如果我们知道它们的实际亮度,我们可以将它与表观亮度进行比较。因为光服从平方反比定律,所以我们可以从实际亮度和表观亮度之比得到距离。

接下来,我们要使用赫罗图,它可以告诉我们几乎所有关于恒星的信息。如果我们知道恒星的实际亮度和颜色,这张图会告诉我们它的半径、它所处的生命阶段,并最终告诉我们它的质量。Zwicky 所需要的是一个星系的整体亮度,他就可以估算出其中恒星的质量。

测量速有点困难,这些天体距离我们很远,所以我们实际上看不到这些东西在移动。为了计算出速度,我们需要测量一种叫做多普勒红移的东西。当物体在靠近或远离我们的时候,它发出的光的频率 / 波长会发生改变。但是我们无法用肉眼看到颜色变化,必须将光转移到光谱上,然后寻找谱线的移动。

所以 Zwicky 得到了质量、速度,然后应用万有引力定律看看会发生什么。不过,后发星系团有多个星系,解决多体问题相当困难。所以,Zwicky 使用了位力定理,它将系统中的动能和势能的时间平均相关联。根据测得的星系速度和星团的有效半径,我们可以计算出需要多少质量。结果是,测量到的质量远远小于理论得到的质量。

Zwicky 推断那里一定有看不见的暗物质。不过,它所指的暗物质与现在认为的暗物质不一样。Zwicky 所指的暗物质是不会发射或反射足够的光,导致从地球上看不到它们。在这个定义下,很多普通的东西也是暗物质,比如巨大的冷扩散气体云。Zwicky 认为恒星只占宇宙质量的一小部分,其余的大部分是气体云。

1951 年,HaroldEwen 和 Edward Purcell 发现了 21 厘米氢谱线,这使我们能够找到恒星之间和星系之间所有的冷氢。即使氢很冷并且处于弥漫的气体云中,它仍会发出这种 21 厘米的光。这意味着我们可以测量它们的质量,但这仍然不足以解释 Zwicky 的质量问题。

然后在 1962 年,我们使用太空探测器发现了第一个太阳系外 X 射线源。地球大气层吸收了大量来自太空的 X 射线,所以我们的 X 射线探测器必须在太空中才能看到它。X 射线天文学为我们开辟了一种全新的看待宇宙的方式,当时我们看到了一些新的事物:热氢。但遗憾的是,它仍然不足以解释质量问题。

直到 1970 年代初期,暗物质问题才取得进展,当时 Vera Rubin 正在使用 Kent Ford 建造的光谱仪研究星系旋转。她绘制了几个星系中氢的分布图,但是当她研究这些氢的旋转速率时,她发现了一些奇怪的事情。根据她绘制的氢分布图,她预测在星系外缘附近的恒星轨道速度下降。但观测数据显却给出不一样的东西,外缘速度没有下降而是趋于平缓。

所以她问了自己一个问题:如果星系质量比我们能看到的还要多怎么办?是的,这听起来很熟悉,她在谈论暗物质,这与 Fritz Zwicky 在 1930 年代提出的论点相同,但 Vera Rubin 是用适当数量的数据提出的,这使暗物质第一次成为科学。

所以让我们来看看最新的物质组成情况。活跃的恒星约占宇宙物质的 1.5%,行星、卫星、小行星和彗星约占 0.005%,弥散的气体和尘埃云约占 14.5%,还有 84% 下落不明,这就是我们所说的暗物质。

本文来自微信公众号:万象经验 (ID:UR4351),作者:Eugene Wang