旋轉什麼變了

導語：

宇宙中究竟存在著怎樣的物質一直在影響著宇宙的執行，人們大爆炸學說解釋宇宙的執行的時候會遇到怎樣的問題？在人們的研究中，

從剛開始的對於暗物質的不屑一顧到對暗物質有足夠的重視發生了怎樣的變化。

01

宇宙學最大的未解之謎

學習宇宙學，

用大爆炸理論來分析宇宙的演化，必須要有可靠的觀測技術，這項技術現在已相當精確，

它包括宇宙微波背景輻射

、宇宙膨脹，以及宇宙中較輕的元素丰度。它是大爆炸理論三個最重要的觀測證據

，以此為基礎，

我們可以從理論上進一步探索宇宙的未來究竟

會向什麼方向變化，這

裡有一個前提，那就是必須對宇宙進行徹底、

徹底的考察

，必須瞭解它所包含的物質和能量。

為了弄清楚宇宙的未來

，我們首先要弄清楚它包含了多少物質和多少能量，而對這些問題的研究，

則是從仙女座星系開始

。“仙女座”星系群中的“仙女座”星系與“銀河系”同屬一個星系群，“

仙女座”星系群是旋轉的，

它們的旋轉

有助於我們瞭解星系中含有多少物質。

1、人們的研究

1970年，女天文學家

魯賓開始觀測仙女座星系

，魯賓和她的一位光譜同事福特合作，

觀察星系的旋轉，

如果望遠鏡的效能足夠好，不但能測量到星系整體離我們遠或近的速度，還能測量到星系內部不同區域半徑的速度

，測到速度後

，就能知道，離星系核心不同半徑的

區域物質如何繞中心旋轉

，這裡所用的方法就是譜線的位移，如果星系的旋轉離我們近，由該區域產生的譜線就會發生藍移，

如果離我們遠或紅移。

2、“藍移”和“紅移”

利用譜線位移

的方法魯賓得到了仙女座星系的旋轉曲線，即當星系半徑改變時，其旋轉速度如何改變，魯賓發現仙女座星系內物質即使

在半徑達到數萬光年的時候

，仍能以200米/秒以上的速度旋轉，

這是一個很高的速度，

太陽系繞著星系中心旋轉

，也能達到200米/秒。

3、仙女星系與太陽系的比較

與太陽系內部的行星

運動的旋轉曲線相比，

仙女座星系的旋轉曲線差異很大，太陽系內部行星的旋轉曲線遵循「開普勒定律」，因為主要由

太陽的引力決定行星的運動

，因此，

隨半徑增大

，其軌道運動速度下降，但仙女座星系的速度在較大半徑範圍內保持平穩。若仙女座星系的全部引力

都來自星系內的恆星，

則仙女座星系內部不同半徑的

區域內的物質

旋轉速度將會隨恆星分佈距離的變化而變化，因此仙女座星系與銀河

系的旋轉曲線將會有很大的差異，因此，為了解釋觀測到的星系的旋轉實現，還必須有額外的引力，

這一額外的引力來自於看不見的物質，並提供比星系盤內恆星的旋轉速度更快的引力，否則，

在這樣的旋轉速度下

，星系將會分裂，根本無法維持完整的形態。

02

對於仙女星系旋轉的舉例

正如我們把一塊系在

繩索上的石頭扔出去一樣

，如果石頭轉動得越快，系在繩索上的繩子所施加的力量就越大，如果石頭轉動得太快，你

就握不住它

，那石頭最後就會飛出去，對星系來說

也是同樣的道理。

假設仙女座星系的旋轉速度

是由其內部所有恆星和氣體提供的，那麼仙女座星系將會分裂，只有將仙女座星系的旋轉速度假設為由

“暗物質引力”提供，

才能與現實觀察到的情況相符，這是對暗物質來源的

一個非常重要的觀察證據。

03

對於暗物質的探索

在1970年魯賓

發表自己的研究成果後

，天文學對她的反應也變得沉默不語，因為沒人會真正地考慮這個問題，但魯賓並沒有灰心，因此

在接下來的十年裡，

她一直在觀察其他星系，她總共測量了

數百個星系的旋轉曲線

，並且在1980年她測量了21個漩渦

星系的旋轉曲線，

她發現它們與仙女座星系的旋轉曲線有著非常相似的特徵，她認為這些星系都應

該含有暗物質的成分

，這為暗物質的存在提供了有力的證據。自從魯賓發表了他關於21個漩渦星系的

旋轉曲線的研究之後

，天文學界開始重視暗物質的存在，並對不同層次的天體進行了各種觀測，

發現了暗物質可能存在的線索。

1、暗物質的特性

人們常

誤以為暗物質是黑暗的物質

，其實並不是這樣，我們通常所說的黑暗往往指的是一團物質，它會吸收光線，

或者說它會擋住光線

。但暗物質實際上是透明的，因為它與光之間

沒有任何相互作用

，所以暗物質實際上分佈在我們周圍的空間裡，但是我們根本沒有看到它們，也沒有感覺到它們，

只是它主導了星系的形成和結構

。

暗物質的另一個特徵就是

它只與重力相互作用

，因此經常藉助重力的影響來揭示它們的真實面目，並透過重力透鏡現象來

反演暗物質在星系中的分佈

。

2、什麼是暗物質

過去

有許多關於暗物質的推測

，還有各種各樣的理論模型，今天有一個更被看好的可能性，這個可能性的英文名叫Wimp，

實際上是一個巨大的微粒，

它的性質究竟是什麼，現在還不太清楚，

只是它的作用

，人們已經認識到了。

大爆炸後不久，

物質分佈極不均勻

，發展放大，形成了今天的星系和恆星，這是由於暗物質分佈的不均勻造成的，因此，暗物質在今天的各種

尺度結構中起著非常重要的作用。

3、暗物質的測量方法

第一類：

在加速器中模擬大爆炸

中產生暗物質的粒子與高能粒子的碰撞，然後去觀察並研究它。第二類：如果是暗物質確實存

在於我們周圍的空間中

，也許其中的一部分會與

某些原子核發生碰撞

，然後又與原子核發生碰撞，發出光，那麼透過測量這些光來研究暗物質的性質，以

避免其他粒子的干擾

，因此這種實驗通常是在地下進行的。第三類：在空間去探測暗物質粒

子互相碰撞後產生的光子。

結語：

人在探索暗物質的道路上

還有很長的一段路要走

，魯賓因其傑出的貢獻而獲得

了眾多的獎項

，可惜她未能獲得諾貝爾物理獎，但是她在對於暗物質方面取得的成就是人們無法超越的，這便是

一個人對於一個研究的影響。