文档介绍：宇宙中的暗物质
著名物理学家李政道教授在谈到二十世纪的几大科学问题时指出:当代的科学大问题在宇宙学中有两个,一个是类星体,一个是暗物质。暗物质是什么?是怎样被提出的?它为什么会成为当今科学发展中的重大疑难问题之一?
一、暗物质的由来
所谓看得见的物质是指用光学、红外、放射等手段能推出能量的物质,然而,天体物理研究表明,我们所观察到的质量只占所观测空间中中物质总质量的一小部分,还有很大部分质量是由目前还没有弄清楚的东西所携带,这些看不见的东西即通常所说的暗物质。暗物质问题是二十世纪三十年代,瑞士天文学家兹威基(Fritz -1974)首先提出的。
三十年代初叶,兹威基用两种方法测量星系团的质量,一种是光度方法,即测量星团中星系的光度。由于星系的光度和其质量有一定的关系,从光度测量就可以推知相应星系的质量。然后再把各星系的质量总和起来得到整个星系的质量。另一种方法是基于动力学,即测量各个星系之间的相对速度。由于星系的平均相对速度是由整体星系的质量决定的,因而由运动速度就可以推知星系团的总质量。
兹威基发现,用这种方法得出的质量差别很大。例如对于后发星系团,动力学质量要比光度质量大400倍!这个结果只能解释为:后发星系团的主要质量并不是由可视的星系贡献的,而是由其中大量不可视物质的质量贡献的。因而,只要在星系中含有大量的不可视质量,光度质量就会比动力学质量小得多。至于这些质量到底是什么构成的,那时人们全然无知。所以,兹威基称这些质量为“下落不明的质量”,或者“短缺的质量”。
兹威基的大胆猜测一直没有得到公认。但二十年后支持兹威基的事实开始增多。
五十年代初,人们开始用广义相对论来研究宇宙的开闭性。通过对类星体的视星等红移关系来确定的宇宙平均密度而得出宇宙是有限的、封闭的,并且会坍缩的结论。这与用光度学有关的经典理论得到的结论相悖,即暗示着应当存在暗物质。考虑到视星等到红移图方法有较大的误差,因而尽管有这一证据,人们还不普遍地接受存在大量暗物质的这种想法。但是到七十年代末期,科学家在研究星系的转动曲线时,得到了暗物质存在的更强有力的证据,使得人们不得不接受宇宙中存在暗物质的观点。
所谓星系的转动曲线,是指围绕旋涡星系转动物体的速度与其半径的关系。根据开普勒星体运动定律右得:星体转动的速度与该星系到星系团中心的距离的平方成反比。因而,距星系中心越远的物体,转动速度应越小。但是在1978年,天文观测发现:在星系发光区域之外,物体的转动的速度与距离无关。对于这一
“反常”的结果,唯一可能的解释是:在星系周围空间里,冻是真空,而是存在着质量很大的不可视物质,即暗物质。
后来,天文观测又发现了其他许多存在暗物质的证据例如1983掉发现,在距银河中心20万光年的距离上,有颗名为R15的星,它的视向速度什高达456千米/秒。要产生台此大的速度,银河系的总质量至少比光学区质量大十倍,即银河系的质量十分之九属于暗物质。
到了1984年,科学家又进一步发现,在我们银河系周围有几个矮球星系分布在玉夫、小熊、船底、天龙、天炉和狮子等星座中,它们距离在20—60万光年之间。这些星系都在银河系的引力场中,它们的质量不可能太小,否则银河潮夕力,就会使它们瓦解,另一方面,它们的光度很低,其中的发光星体不多,所以其中必定有大量的暗。
除了这些暗物