主题：【原创】漫谈暗物质 -- afar77

我们为什么相信宇宙中存在暗物质呢？

最常见的一个证据就是星系的旋转曲线，最常见的旋转曲线图呢，就是下面这一幅：

这附图里头，左下角是一个星系(M33)的可见光照片，可以看到M33是和我们银河系差不多的一个螺旋星系，恒星们围绕着星系中心旋转。那么，如果我们重复一下牛顿老先生的工作，就可以写出恒星们的运动方程 M_s v^2/r = G M(r) M_s /r^2 (向心力等于万有引力)。两边的恒心质量M_s可以约掉，那么恒星的速度 v^2 = GM(r)/r，M(r)是恒星的轨道里所包含的总质量，而r就是恒星的轨道半径。

现在再仔细看看照片 --- 照片上，在大约大于4个kpc的距离上，恒星就很少了。所以说，在r>4kpc的地方，M(r)就已经几乎是一个常数了。这样的话v就应该正比于r^(-1/2)，距离星系中心约远的地方旋转速度越慢，就像比较低的那条曲线画的那样。可是实际观测的结果却是上面的那条曲线---约往外走恒星转的越快呢。所以，这中间一定还有点啥东西在吸引这些恒星---而这些东西又都是看不见的---也就是我们所说的暗物质了。

土鳖抗铁牛......

要向英雄板块里的SZBD一样，最好一天发两篇到三篇。现如今，挖坑被人极端鄙视，而你一天不在河里发两篇，你都不好意思跟人说你是混西西河的。

先贴张照片:

这张照片在天文界现在已经是赫赫有名了。为啥？这个是第一个直接证明暗物质存在的证据。

一般来讲，宇宙中的星系大多都以星系群的形式分布着 --- 几十个，上百个，甚至上千个星系聚成一团，星系和星系之间充满着炙热的离子气体 --- 就象平原上的村落一样。星系团里的星系们被彼此之间的重力束缚着，抱团一起在宇宙中运动。大多数时候星系团之间会彼此相安无事 --- 毕竟宇宙中是很空旷的 --- 但是偶尔也有两团星系会迎头撞上，就好像这张照片里头，编号1E 0657-56的这两个星系，就是不久以前刚刚撞到一起的。

照片里红色的部分是这个星系团的X射线发射区，换句话说，也就是星系团里大部分等离子气体所在的区域。可以看到，因为碰撞的原因，这些等离子气体的分布已经和正常的星系团很不一样了。因为一般的星系团里，90%的质量都以气体的形式存在，所以说这两团红色的区域就是这两个星系团里*正常*物质的分布区域了。照片里蓝色的区域，是用引力透镜所计算出来的两个星系团的*总质量*的分布区域。

现在问题就很明显了：星系团里的*正常*物质分布和总质量分布并不重合！所以，一定有些什么很大质量的物质分布在蓝色的区域里---那就是暗物质了。

讲句题外话，看那两团红色的气体团，象不象子弹射过后的冲击波？因为这个原因，这个星系团一般被称为"子弹星系团"。

这个也收了

看起来好像暗物质的存在是通过引力透镜观察（计算？）出来的，不过不知道引力透镜是什么？我孤陋寡闻，斗胆问一下:-)

父母刚刚签过了探亲签证，恭喜一下先

讲一点点暗物质的题外话，这个引力透镜的事情。

一般讲引力透镜，都会讲到爱因斯坦老先生和那个有名的光线在太阳旁边偏折的实验。其实可以引起光线偏折的不仅仅是太阳而已 --- 严格的说，任何质量足够大的天体都会引起它附近的光线偏折。太阳可以，黑洞可以，星系团也可以。

下面这幅图就是一个引力透镜的示意图：光线在星系周围发生偏折，从上面和下面过来的光线都可以射到望远镜里，所以就成了两个像

这幅图是哈博望远镜拍摄的一个引力透镜的例子：

左边的星系周围光圈一样的东西就是在它背后的一个遥远星系成的像，一次成了好几个，而且星系的形状明显失真的厉害。

这样的照片要拍起来当然很需要些运气---需要前面的透镜星系的位置合适，质量也要刚刚好可以把像成在合适的角度。一般的情况下，背景星系不会成多个像的，比如说这张图里面的背景星系，哪两个像是同一个星系的？

虽然没有同一个背景星系成多个像，不过粗略的看一看，好像还是有不少星系的影像看起来是垂直于星系到星系团中央的连线的么...如果一个两个星系这样那还可以说是运气，很多都是这样...看起来象不象上一张图片里头那些被拉成细丝状的星系的形象？

像这样需要借助统计工具才能确定的引力透镜，一般被称为弱引力透镜；而早一点那些多个成像的引力透镜被叫做强引力透镜。一般来说强引力透镜的数据比较好分析，但强引力透镜是在是很少见的情况 --- 而弱引力透镜就相对广泛的多，毕竟在任何一片天区背景星系还是很多的，只要你有足够强劲的望远镜可以看到它们。

弱引力透镜的研究近些年才得到长足的发展，这也是"子弹星系团"最近才被发现可以证明暗物质存在的原因 --- 毕竟星系团相撞这种事情是小概率事件，要是正好还有位置合适的背景星系可以造成强引力透镜的话...那天文学家应该集体改行去买彩卷...

顺便说一声，暗物质存在的证据还有很多，并不是一定要依靠引力透镜的。下一节就开始讲一些古董级的证据...

另外老兄也已轻松毕业，鉴于楼下科经版的爱莲版主虎视眈眈地盯着，俺只好忍痛割爱，送花转版了

虽然看得不是很明白，2.5这帖还是引起了我极大的兴趣。

可惜第二张没拍好。

当时在美国航空航天博物馆拍的。后面是一个小的光源，模拟一个星系的恒星，然后分别透过两个不同质地的塑料透镜观看它们的实际成象。

大约是最浅显的“如何证明有暗物质存在”的原理图

下面的图上的解释字样是这样的：

What happens and why?

The varying thickness of one plastic lense bends light and distort your view of galaxy. In a real universe, a powerful field of gravity acts in a similar way. Bending light, and creating a sort of "gravitational lens" that distorts our view of galaxy behind it.

It takes a huge concentration of mass such as a cluster of galaxies to produce a noticable gravitational lens. Sometimes the distortions is so great that only an additional amount of unseen mass can account for it. Such material, which can only be detected by the effect of its gravity, is what we call "dark matter".

还是那句话，astro physics is not easy...cos you guys are not getting any in situ measurements...

从引力透镜讲回来，接着讲星系团。

星系团有多重？

先说一些容易测量的质量。

首先，恒星的质量。这个好算：一般来讲，恒星的光度和质量是有一定关系的，重的恒星一般来讲亮那么一点点。当然不是简单的正比关系，可是同一种类型的星系里不同恒星的比例总是差不多的，所以同一种星系的光度/质量比也差不了那么多。这就好办了。找个距离近的星系量一量光度测一测质量，那么遥远的星系只要看看光度就知道了。一般来说，一个星系团里所有恒星的质量加起来呢，差不多10^12到10^13个太阳的质量。

星际气体的质量也好算。恒星相对来说不会发射太多的X射线，一个星系团里的X射线大多数都是星际气体发射出来的。特定条件下气体发射x射线的强度在实验室里都能测量，拿出来和天上的气体比一比就好了。一般来讲，一个星系团里的气体质量呢，差不多一共是10^13到10^14个太阳的质量。

星系团的总质量呢？差不多是10^14到10^15个太阳质量。要测量这个质量呢，用引力透镜当然是一个办法(而且是这些年很流行的办法)。那么早些年引力透镜还没有被广泛应用的时候呢？

喝咖啡去先...