长期以来，暗物质因其神秘的属性一直是学术界和科学爱好者关心的话题。主流观点认为，由于暗物质的存在才有了我们今天的宇宙。但科学家是如何断定暗物质存在的？如今哪些模型能合理解释？缉拿暗物质，出发！
撰文 | 董唯元
在科普作品中，暗物质和暗能量就像一对孪生兄弟，几乎总是被同时提及，但其实二者的历史身世差别很大。人们感知到暗能量只是最近20多年的事，而对暗物质的认识则已超过135年，而且期间关于暗物质特性及作用的理解也经历了数次重要刷新。
线索一：额外引力源早在1884年，当研究者利用银河系中恒星运动速度估算星系总质量时，就发现许多恒星的运动速度比预想快很多。如此高速运行的恒星似乎早该脱离其运行轨道，除非星系内还存在大量无法直接观测到的物质来提供额外的引力约束。根据计算，那些不发光的隐身物质总量远远超出了所有可观测天体的总量。无人能解答这些物质究竟是什么，暗物质也因此得名。
图中纵坐标V代表恒星运行速度，横坐标R代表到星系中心距离，实线为实际观测结果，虚线是由可见物质质量估算的理论结果。本图内容为2019年的观测分析结果，早期的观测虽然也得出同类定性结论，但精度和完整性都逊色一些。丨图片来源：Salucci, P. The distribution of dark matter in galaxies. Astron Astrophys Rev 27, 2 (2019). https://doi.org/10.1007/s00159-018-0113-1
这一反常现象最初并没有引起研究者过多关注，要知道当时受观测技术和理论模型两方面制约，天文观测中难以理解的现象可以说俯拾皆是。相比之下，几颗运行速度过快的恒星这种事，尽管不断被研究者重复发现，也实在不能算什么了不起的现象。
直到20世纪70年代，随着技术进步和理论完善，大量的观测数据越来越清晰地显示，不仅银河系存在这种神秘的额外引力源，其他河外星系也都普遍存在，而且在每个星系中，这种隐身物质的总量都恰好是可观测质量的6倍。这便是暗物质给我们留下的第一条明确线索，自此，暗物质才正式被立案侦查。
根据运行速度推算，银河系暗物质分布远超过可见物质分布范围。丨图片来源：Roger Freedman, Robert Geller, William Kaufman. Universe (10^th edition) Chapter 22, Our Galaxy.
线索二：引力透镜最容易想到的怀疑对象，自然是那些恒星演化晚期产物，也就是那些恒星核聚变反应之后剩下的冰冷残骸。我们的银河系已经存在了一百多亿年，几乎跟宇宙的寿命同样古老。既然这个火堆持续燃烧了一百多亿年，那么其周围弥漫着大量浓雾黑烟，似乎也是个蛮符合直觉的图景。
然而研究者很快就发现，暗物质与恒星残骸有一个重要区别：暗物质是透明的。尽管我们周遭充斥着6倍于普通物质的暗物质，但没有丝毫阴天的感觉，那些来自银河系外的光线可以畅通无阻地到达我们身边。更有意思的是，暗物质一方面对光完全透明，另一方面其质量所产生的引力场又像普通物质一样，可以掰弯擦身而过的光线。
这种由质量产生的光线偏转，可以产生“引力透镜”效果。一个藏在大质量天体背后的光源所发出的光线，会被大质量天体掰弯后射入我们的天文望远镜，于是我们在天空中便会见到一些有趣的图像，就好似透过玻璃瓶底所看到的亮光。
