图1. 子弹星系团 (摘自Astronomy picture of the day. 图像合成者： X-ray图像： NASA/CXC/CfA/ M.Markevitch etal.; 引力透镜图像： NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/ D.Clowe et al. 光学图像： NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al。)
暗物质是怎么发现的？暗物质粒子是冷的还是温的？天文学家如何给出答案？悬而未决的问题是什么？
1 暗物质的发现
1933年，加州理工大学的瑞士天文学家茨威基在研究星系团时发现了奇怪的现象：星系相对于星系团中心的运动速度似乎太快了。星系团是星系的集合体，可以包含数百个明亮的星系，这些星系由共同的引力场束缚。茨威基研究的星系团被称作“后发座星系团(Coma cluster)”，距离银河系3亿光年。茨威基的同事史密斯(Sinclair Smith)用当时世界上最好的望远镜收集了星系团中成员星系的速度。利用引力理论，天文学家可以通过星系的运动速度推断星系团的总质量，星系的运动速度越快，说明束缚它们的引力场越强大，也就意味着星系团的总质量越大。而茨威基通过星系速度推断出星系团质量显得太大了些，要比星系的质量多出几百倍。茨威基一生从不缺乏命名新鲜事物的热情和天才，他很快将星系团中隐藏的质量命名为“暗物质”。但由于缺乏其他的独立观测佐证，在之后的三十年里，暗物质的概念不时被人提起，却又没有人认真对待。
局面在1960年后发生了改变，这一次证据来自临近宇宙中的漩涡星系。长缝光谱仪的发展使得天文学家可以一次拍摄河外星系不同区域的恒星轨道运动速度，也就是所谓的“星系旋转曲线”。和星系团中的星系运动同理，星系中恒星的轨道运动越快，意味着星系质量越大。美国卡内基研究所的Vera Rubin和Kent Ford在此后的十年间系统地调查了近邻星系的旋转曲线。他们的研究表明，所有的旋臂星系外围的恒星似乎都转得太快了，如果星系主要的质量来自发光物质，那么这些星系外围的恒星应该早已逃逸而去。这些近邻的漩涡星系中至少应该包含比发光物质多6倍的暗物质，才能解释观测的旋转曲线。
2 暗物质本质是什么
宇宙中存在不发光的物质本身并没有什么了不起。人们早就知道宇宙中包含大量的不发光的气体，这些气体四分之三是氢元素，四分之一是氦元素，都是宇宙大爆炸初期合成的。由于自身的引力作用，气体会慢慢聚集在一起形成气体云，并进一步密集，最终塌缩。当气体云中心的密度超过热核反应的临界密度，恒星就被点亮了。但恒星远没有用尽宇宙中的氢氦元素，星系中可能存在大量这样的气体，不少人猜测也许它们的质量足以束缚星系外围的恒星，使得它们老老实实地带在星系中不逃离出去。
然而在七十年代，星系团的观测有了新的进展。人们观测到了星系团中的气体。这些气体的温度非常高，达到了107度，这使得它们可以发出X-ray辐射。通过X-ray卫星观测，人们就可以估计星系团中气体的质量，而这一质量惊人地达到了恒星质量的5倍。但这些新发现的气体却并不能为消失的质量负全责。事实上，热气体的发现反而加剧了质量缺失问题，因为这些气体温度太高了，如果没有强大的引力势阱束缚，这些气体就会在很短的时间里从星系团中逃逸殆尽。而束缚这些气体所需要的物质量，又是这些热气体气体质量的10倍左右。
星系团热气体的发现促使科学家们严肃考虑非重子的暗物质粒子。也就是说，这些看不见的物质也许并不是原子、分子这些构成我们世界的普通物质，而是另一种不在标准模型中的基本粒子。这种暗物质不发出电磁波，也不和可见物质进行相互作用。但天文学家仍然可以通过暗物质的引力效应观测到它。利用广义相对论预言的引力透镜效应，人们甚至可以绘制暗物质在宇宙中的分布。图一是三种观测叠加的图像，显示了著名的“子弹星系团(bullet cluster)”中物质分布的情况。其中，星系图像是光学望远镜拍摄到的。这些星系构成了一个星系团。通过X-ray望远镜，人们可以观测到星系团中热气体的分布，在图片中显示为红色的气体云。而蓝色的晕状成分则显示了由引力透镜分析绘制出的暗物质分布情况。读者可以很容看到图片右侧的锥形气体分布，这说明该星系团刚刚由两个星系团合并而来。星系团A(右侧)像子弹一样打入了星系团B(左侧)的内部。而最右边的蓝色晕，事实上是原本属于星系团A的暗物质。在两个星系团合并的过程中，暗物质因为不和普通物质发生相互作用，于是以更快的速度穿过了彼此，而热气体团块因为受到相互之间的阻力，反而落在了暗物质后面。
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