正文
图3 1910年代测得的仙女座星云速度曲线。横轴为偏离中心的位移，单位为角秒，0为中心位置。纵轴为速度，单位为km/s。十字形表示沿着长轴的结果，圆圈表示沿着短轴的结果。沿着主轴方向的速度变化意味着仙女座星云在旋转。（Credit: Pease 1918）
星系旋转曲线：暗物质的仙踪
斯莱弗当年的观测只是局限于亮度较高的中心区域——大约是 500 pc（秒差距pc是天文中常用的长度单位，1 pc大约是3.26光年）以内的范围，约为星系盘长轴的2%。在更大半径处，星系的旋转速度是多少呢？这个问题的答案——星系旋转曲线（即星系不同半径处的旋转速度），与星系的物质分布息息相关。
根据漩涡星系在可见光波段的观测，星系盘的物质分布集中于中心区域。因此，可以预期在星系盘的外围，恒星或气体的公转速度会随着半径增加而下降。这类似于太阳系，位于中心的太阳在质量上占主导（就连八大行星中的“巨无霸”——木星的质量也不到太阳的千分之一），越是远离太阳的行星，其公转速度越慢。这正是著名的开普勒第三定律的体现。
对星系旋转曲线测量做出了卓越贡献的是一位了不起的天文学家——薇拉
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鲁宾（Vera Rubin）。鲁宾在童年时代就对天文产生了浓厚兴趣，并且得到了父母的大力支持。在求学之路上，她一直都是那种家长口中“别人家的孩子”式的学霸。在男性主导的科学领域中，她克服了性别原因带来的重重障碍，有着一段让人钦佩的科学历程。
从1960到1980年代，鲁宾与肯特
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福特（Kent Ford）对包括仙女座星系在内的数十个漩涡星系做了极高精度的光谱测量，将星系旋转曲线的半径范围拓展到了星系盘长轴的80-90%。让所有人惊讶的是，这些星系的旋转曲线并没有在外围下降，反而保持平坦，甚至在个别情况还略微上升
(Rubin et al. 1970, 1978, 1980, 1985)
。这意味着在这些星系中，除了可见的恒星和气体之外，还存在大量不可见的物质。正是这些“看不见”的物质提供了额外的引力，使得外围的恒星和气体能够以很高的速度绕着星系中心旋转，不会被甩出星系之外。
图4 M33星系旋转曲线的真实测量（实线）与只考虑可见星系盘的物质分布的理论预言（虚线）比较。两者的不一致意味着暗物质的存在。（Credit:
Mario De Leo
）
这些“看不见”的物质现在被称为暗物质。鲁宾对星系旋转的研究给暗物质的存在提供了第一个让人信服的证据。在后续几十年里，暗物质的存在得到了更多不同独立天文观测的支持，包括宇宙微波背景、子弹星系团、引力透镜效应等等。通常认为，暗物质只参与引力相互作用，而不参与电磁相互作用，因此既不发光也不吸收光，所以不为我们所“见”。
星系旋转研究带来的暗物质发现改变了我们对宇宙和星系结构的认识。按照现行的标准宇宙学模型，我们看得见的物质（也被称为重子物质）只占宇宙学物质能量成分的4%，看不见的暗物质占据了26%，而剩下的70%是更加神秘莫测的暗能量。每个可见星系都居住在一个更大的、近似球状的暗物质结构中，这个暗物质球状结构被称为“暗物质晕”，或者简称为暗晕。可见的星系盘位于暗晕的中心，半径通常不超过暗晕半径的十分之一左右。
图5 星系的现代图像：可见部分只是总质量的一小部分，它被包裹在一个看不见的暗物质晕中。
旋转的起源：潮汐力矩理论
在宇宙中，并没有“微风”来吹动漩涡星系这些“风车”。那么，星系的旋转从何而来呢？发端于1950年代的
潮汐力矩理论（Tidal torque theory;
Hoyle 1951; Peebles 1969; Doroshkevich 1970; White 1984
）可以告诉我们答案。
首先来看质量占主导地位的暗晕。在宇宙早期，物质的分布并不完全均匀，不同地方存在微小的密度涨落（大约是十万分之一的差别）。其中，密度峰值所处的区域就是未来暗晕的“种子”——原初暗晕。在自身引力作用下，一个原初暗晕的物质团块会逐渐聚集，密度不断升高， 最终塌缩形成暗晕。在这个过程中，原初暗晕会受到周边非均匀分布的其他物质团块的引力拉扯，
