下落不明的质量

质量是天体中最重要的物理量之一，天文研究的一个重要任务就是测定各类天体的质量。测量星系及星系团质量一般有两种方法。一种方法：测量星系团中各星系的光度Ii，由Ii算出星系质量Mi，从而推知星系团的总质量M=∑iMi，用这种方法测量出的星系团的质量称为光度学质量。另一种方法：测量各星系之间的相对速度Vi，求得星系的平均相对速度υˉ，由此求得星系团的质量M，此即称为星系团的动力学质量。

本世纪30年代，瑞士天文学家兹威基发现，用这两种方法得出的质量差别极大。例如，对于后发座星系团，动力学质量要比光度质量大100倍！这是为什么呢？兹威基在分析了大量观测资料的基础上大胆提出了他的假设。他认为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。用光度方法测出的质量只包含发光区的质量，不包括存在于不发光区的物质质量。因此，自然造成了光度质量比动力学质量小得多。兹威基称这些质量为“下落不明的质量”，或者“短缺的质量”。

兹威基的大胆推测，一直没得到公认。直到50年代后，随着对类星体的视星等红移关系及星系的旋转曲线研究的深入，科学界已普遍确认：宇宙质量主要是由暗物质贡献的，宇宙间至少有十分之九的物质是不可视的。

暗物质是由化学物质构成的吗？

暗物质是由什么物质构成的呢？开始，天文学家推想，暗物质是由弥漫在星系周围及宇宙空间的气体、尘埃和低光度的星体贡献的。

先看一看星系周围的气体。毫无疑问，星系冕里存在气体，然而，射电观测的资料表明，气体不可能很多。因为星系的引力不可能把质量比星系本身还大的气体束缚住。据估计，气体的质量最多只能是星系质量的10%左右。宇宙空间的尘埃也不可能太多。尘埃太多将严重挡住星系发光，与观测矛盾。计算表明，星系周围的尘埃最多只及星系总质量的1%。

再看低光度星体——一些已经变暗的“死”去的星或星系（如中子星、黑洞等）。试想如果今天的宇宙中有如此多的“死”星，那么，在早一些时代活星的数目—定比现在多得多。可是，天文上观测到“远一点”的地方，也就是“早一些”时代（因为光需要一定时间才能传到这里）的星系数目并不多。如果说在这些地方的星系很多，只是我们今天难以观测到的话，那至少它们对宇宙背景辐射会有贡献，就会使得天空的光学波段的背景辐射比现今强得多，但天文观测事实否定了这一推测，那么广阔的星系际空间是否弥漫着气体呢？例如中性氢气体等。射电天文观测同样给出了否定的答案。因为中性氢气体会发射或吸收波长为21厘米的射电波，其它中性气体也会产生相应的射电波。但这些射电波并没有被观测到。

从气体、尘埃到“死”星，即由化学元素所可能构成的各种形态的物质，一个个被否定了。物理学家自然把疑点集中到基本粒子身上。

暗物质是由什么基本粒子构成的？

1980年，一些粒子物理学家宣称，中微子的静质量可能不为零，前苏联一个实验小组甚至宣布说，电子中微子的静质量约为6×10-32克，这一消息，在当时，在宇宙物理学界引起的反响似乎比粒子物理界还要大。这是因为，许多人马上想到暗物质也许就是中微子。

宇宙的早期要产生大量的中微子，恒星演化过程也会产生不少。由于中微子“生来懒惰”，它与物质几乎不发生作用，因此有大量中微子游荡于宇宙空间，也即宇宙是一个中微子的海洋。如果中微子的质量真为6×10-32克，由于宇宙空间每立方厘米有400个光子，而宇宙中的中微子数与光子数大体上是一样的。经过简单的计算可知，宇宙中中微子的总质量将足以“弥补”那失踪的物质。

中微子到底有没有质量，至今仍没定论。尽管如此，通过探讨中微子的质量问题，却把两门相差甚远的学科，即天体物理、粒子物理紧紧地联系在一起。

随着粒子物理学的发展，特别是近几年兴起的超弦、超对称、超引力等理论，预言了许多新的粒子。例如：轴子（物理学家为基本粒子理论强作用中不产生CP对称破缺而引入的粒子）、WIMP粒子（参与弱作用的大质量粒子）以及引力微子和GUT磁单极子等。这些新预言的粒子都不是重子，它们大都不参与电磁作用，或只有很弱的相互作用，不可能在现今的实验室里发现它们。但这些性质却正是暗物质应具有的性质。因而，不少人猜测，也许宇宙间的暗物质正是由这些粒子组成。无疑，在宇宙中搜寻这些粒子是粒子物理学家非常关心的大事，因为它将为粒子物理学提供佐证。

同时，暗物质的搜寻也是关系到宇宙未来“前途”的大事。因为按大爆炸宇宙学，宇宙存在一个临界密度值，如果宇宙中物质的平均密度比它小，正在膨胀的宇宙将一直膨胀下去；宇宙中物质的平均密度比它大，则在引力的作用下，宇宙最终将要停止膨胀并转化为收缩，有可能又会聚成到普朗克尺度大小，以后又发生“爆炸”。因此，宇宙未来“何去何从”全系于暗物质的多少了。

在对暗物质的探索及搜寻中，再一次体现了当今科学研究的重要特征：交叉性、协同性。一个好的理论、假说的建立及证明或许要两个、甚至多个学科的协同作战。