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Dark Side of the Universe|不可直视的宇宙骸骨

中科院物理所  · 公众号  · 物理  · 2025-05-23 11:10

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暗物质占据了超过四分之一的宇宙组分,而普通的重子物质则仅占不足5%。庞杂的暗物质在引力的作用下,构建了宇宙中庞大的纤维状结构—— 宇宙网 ,而这张宇宙网就成为了贯穿整个可观测宇宙的引力框架。星系团(如室女座超星系团)形成于宇宙网丝线纤维交汇处,而丝线之间的空洞则延伸出直径数亿光年的虚无疆域。我们所在的银河系,正悬浮在这张巨网上的一条次级丝线的末端,如同一粒微小的露珠。中国郭守敬望远镜(LAMOST)的大规模光谱巡天数据显示, 银河系所在的拉尼亚凯亚超星系团,正是依附于一条横跨5.2亿光年的暗物质纤维


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左图是Sloan Digital Sky Survey观测到的我们邻近约二十亿光年范围内的星系分布,图中每个点表示一个星系。右图是名为ELUCID的超级计算机模拟显示的暗物质在相同空间范围内的密度分布。从黄色、白色、蓝色到黑色,显示了从高到低的暗物质密度。 / 王慧元;Wang et al. 2016, ApJ, 831, 164


而这, 便是标准宇宙学模型(ΛCDM model)中,对于宇宙诞生和演化的阐释。



/ 从幽灵到现实:

一场不可知的科学狂想


1906年,法国数学家亨利·庞加莱在评述开尔文勋爵关于银河系质量矛盾的文章时,首次用“matière obscure”一词描述那些隐匿的“黑暗天体”——这是人类第一次以科学的名义,为不可见的宇宙存在赋予名字。开尔文勋爵曾通过恒星运动速度估算银河系总质量,却发现可见物质仅占极小比例,剩余的引力缺口如同深渊,吞噬着所有已知的物理法则。庞加莱的命名如同一把钥匙,打开了通往幽灵宇宙的大门,但当时的科学界尚未准备好直面这种颠覆性的可能: 若宇宙的骨架由不可见的物质构成,那么人类引以为傲的“观测即真理”的认知体系或许将轰然崩塌。


这场狂想的序章在1933年迎来第一个高潮。瑞士天文学家弗里茨·茨威基凝视着后发座星系团的旋转数据,发现星系的速度远超引力公式的预言——若仅依赖可见物质,这个包含千余星系的庞然大物早已分崩离析。他断言, 星系团中99%的质量属于某种“不可见的存在”, 并预言 其总量远超可见物质


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宇宙大尺度下的暗物质分布(图中淡蓝色部分) / NASA


正当弗里茨·茨威基(Fritz Zwicky)凝视后发座星系团的狂乱星系运动时,荷兰天文学家简·奥尔特(Jan Oort)正将目光投向银河系的心脏,他在那里首次遭遇了“隐匿质量”的悖论:通过测量太阳附近恒星的动力学特性(动力学方法),他计算出该区域的质量密度是光学方法(基于恒星亮度估算质量)的两倍以上。这种矛盾暗示着银河系中潜伏着无法被望远镜捕捉的“黑暗物质”,它们像无形的锚链,束缚着恒星的运动轨迹。







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