暗物質本質上是不可見的。我們無法用望遠鏡觀測，也沒有粒子物理學家有幸成功地用實驗觀測到它的存在。
所以，為什麼我與上萬名天文學同行一樣，相信宇宙的質量大多由暗物質構成，而不是組成了恆星、行星與其他所有可見天體的“物質”呢？
為了回答這個問題，你需要理解暗物質所能做的與不能做的事，瞭解它在宇宙中潛伏何處，並意識到“暗”只是這個迷題的開端。
難以察覺的影響
暗物質的故事始於速度與引力。宇宙的每個角落中，都有物體在引力的影響下沿軌道運行。就像地球環繞太陽一樣，太陽也同樣環繞著銀河系的中心。
為了維持在軌道上的運行，天體所需的速度是一個由質量與距離描述的函數。例如，在太陽系中，地球以每秒30公里的速度運行，而太陽系邊緣的行星僅以每秒數公里的速度施施而行。
我們的銀河系是如此之龐大，以至於距銀心26700光年之外的太陽也以230公里每秒的疾速前行。但是，當我們繼續遠離銀河系的中心，群星的環繞速度幾乎不變。這是為什麼呢？
與質量集中在太陽本身的太陽系不同，銀河系的質量分散在數千光年之間。距銀河系中心越遠，其半徑內囊括的星體及氣體越多。是增加的質量導致了邊緣星體的高速嗎？並不盡然。
在上世紀六十年代，美國天文學先驅薇拉·魯賓（Vera Rubin, 1928 – 2016）測量了仙女座星系（一個毗鄰銀河系的星系）距其中心70000光年處的星體環繞速度。令人驚奇的是，儘管這一距離早已超出了仙女座星系大多星體與星際氣體存在的範圍，其環繞速度仍保持在大約350公里每秒。
這一現象也不侷限於獨立星系中。早在上世紀三十年代，瑞士裔美國天文學家弗裡茨·茲威基（Fritz Zwicky, 1898-1974）就發現星系團中的星系運動速度要遠快於預期。是什麼改變了星體與星系的速度？一種可能是，大量不可見的物質存在於遠超出星體與氣體的廣闊空間中，而這種物質便是暗物質。的確，茲威基、魯賓與其後許多研究都證明了宇宙中的暗物質要多於物質。
仙女座星系
難以置信的是，我們無法探測到暗物質的事實反而提供了一些關於其性質的線索。暗物質必然很少與自身及其他物質有除了引力之外的相互作用，否則，我們就會觀測到光輻射及其它粒子的相互作用
由於暗物質幾乎只與引力相互作用，它有一些神奇的特性。一團熾熱的星雲會以輻射光的形式散失能量，並逐漸冷卻；而一團足夠大、足夠冷的星雲會在引力的作用下塌縮，並形成恆星。但是與之相對地，暗物質並不會以輻射光的形式損失能量。因此，普通物質會塌縮成高密度的星體，而暗物質則保持相對彌散。這解釋了一個明顯的矛盾：為何宇宙中的暗物質雖多，但是太陽系中的暗物質僅僅如同九牛一毛。
理論模擬的成功
由於暗物質幾乎只受引力影響，其運動也較易於建模分析、模擬。自二十世紀七十年代起，我們就得到了關於計算暗物質結構數量的方程式。巧合的是，這個方程式也預測了宇宙中超大星系與星系團的數量。不僅如此，關於暗物質的模擬也描述了宇宙結構的發展。暗物質模型不僅符合數據，更有對於宇宙事實的預測能力。
但是，暗物質理論是否有其他可能性呢？我們由引力推理出了它的存在，但是如果我們對引力的理解就是錯誤的呢？例如，遠距離上的引力或許比我們想象的更強？
有許多種意圖替代暗物質的引力理論已經被提出，其中最為著名的例子是莫德採·米爾格若姆（Mordehai Milgrom, 1946-）提出的引力理論修正學說（Modification of Newtonian Mechanics, 一種對於傳統牛頓引力的理論改良）。隨之而來的問題是，我們該如何分辨暗物質與普通物質的引力帶來的影響？或許，就從引力是一種“吸力”入手——如果暗物質並不存在，那麼引力就會朝向傳統物質；反之，如果暗物質佔據主導地位，引力則會指向暗物質。
所以，找到正確的理論會很輕鬆，不是嗎？
可惜的是，暗物質與普通物質大體上環繞彼此，難以分辨引力中心。但是，宇宙中仍有不少例外可供我們利用。當星系團高速相撞時，多組氣體雲與暗物質相碰撞；氣體碰撞並聚攏為一體，而暗物質仍在引力影響下運動。
光線的偏折證明瞭星系團碰撞中暗物質的存在
我們應當如何計算相互碰撞的星系團中引力的影響呢？由於引力不僅作用於物質，也會對光造成相應的影響，我們可以利用變形的星系影像來追蹤引力。在碰撞的星系團中，引力的中心指向暗物質理論中所在的位置，而不是普通物質。
時間的漣漪
暗物質的影響不僅侷限於今天，更可追溯至大爆炸時期。
作為大爆炸的“餘暉”，宇宙背景微波輻射充斥在整個宇宙空間中。在這個龐大的“火球”中，我們可以看到聲波在等離子體中傳播所帶來的能量的漣漪。
這些聲波來自於早期宇宙中引力、壓力與溫度的共同作用。暗物質對引力有貢獻，但是卻不像普通物質一樣參與有關壓力與溫度的反應。所以，聲波的強度決定於普通物質與暗物質的比例。與理論預測的結果相似，天文望遠鏡與天文衛星的觀測證實了宇宙中暗物質的量多於物質。
所以，關於暗物質假說的討論已然塵埃落定？暗物質的正確性毋庸置疑了嗎？大多數天文學家認為，暗物質是目前許多宇宙現象最為簡潔與合理的解釋。儘管最簡單的暗物質模型還有許多問題，例如銀河系衛星星系[1]的實際數量與預測不符，但是這些問題都是暗物質模型值得討論、改進的方向，而非致命的缺陷。
不論如何，我們仍未成功直接檢測到暗物質。這並不會太困擾我，因為物理學中同樣有歷經數十年才得以直接檢測的例子。或許當二十年後，我們仍未直接檢測到暗物質的時候，我會對這個理論感到擔憂。不過，當下，我願意為暗物質的存在下注。
作者：邁克爾·布朗，蒙納士大學天文學助理教授
閱讀更多 西瓜科學 的文章
