我们怎么知道暗物质存在？

星系自转

为了理解暗物质和星系自转的联系，你可以想象一整袋放在转盘上的乒乓球，如果转盘转动，你一定能想象出乒乓球会如何从边缘被甩出去。自转的星系差不多就是这个样子。因为星系在旋转，所以里面的恒星有被甩出去的趋势。把它们束缚在一起的东西只有星系里这些物质产生的引力（引力把有质量的东西拉到一起）。星系自转越快，就需要越多的质量来拉住这些恒星。反过来讲，知道了星系的质量，你就能推测星系的自转有多快。

一开始，天文学家尝试通过星系中恒星的数量猜测星系的质量。但是，当他们用这个数字计算星系的自转速度时，有些东西就对不上了。测量显示，从恒星数量推测出的转动速度低于星系实际的转动速度。换句话说，这些恒星本应从星系的边缘飞出去，就像转盘上的乒乓球。为了让这个速度合理，天文学家必须在计算中让星系大大增加质量，这样才能把这些恒星拉拢在一起。但是人们看不见这些额外的质量从何而来。如果每个星系都有某种很重的东西，但是这种东西不可见，那么事情就说得通了。

这个推断非常特别。著名的天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）曾经说过：“特别的推断需要特别的证据。”因此，这个奇怪的难题在天文学界存在了数十年，一直没有得到解答。随着时间的推移，越来越多的人接受了这种神秘、不可见，还很重的东西（暗物质）的存在。

引力透镜

有一个重要的线索使科学家相信暗物质真的存在，那就是暗物质使光线弯曲的观测现象。所谓的引力透镜，说的就是这个。天文学家有时会在天文观测中发现一些奇怪的东西。他们会在某一个方向上看到一个星系的图像，这倒没有什么奇怪的。但是，稍微移动一下望远镜，他们就会看见另外一个一模一样的星系，两个星系的形状、颜色、光线都一样，天文学家确定它们是同一个星系。但是这怎么可能呢？同样的星系怎么可能在天空中出现两次？

如果有某种非常重（而且不可见）的东西处在你和这个星系之间，那么这种现象就有了合理的解释：这个不可见的重块充当了一个巨型透镜，弯曲了从星系发出的光线，从而使光线看似来自两个方向。

你可以想象一下光线从星系各个方向发出的样子。现在，画两个光粒子，也就是所谓的光子，让它们从星系出发，然后朝着你的身体两侧飞去。如果在你和星系之间有某种非常重的东西，那么天体的引力会扭曲它周围的空间，使光粒子的运动轨迹发生弯曲并且朝向你。

在地球上，你从望远镜里看到同一个星系的两个像，它们来自两个不同方向。这种效应在整个夜空中到处都是，非常重的不可见物质似乎无处不在。暗物质的存在不再是一个疯狂的想法。无论看向哪里，我们都能找到它存在的证据。

碰撞的星系

关于暗物质的存在，最令人信服的证据来自人们观测到的一次大规模星系碰撞。几百万年前，两个星系团冲向对方，发生了“史诗级”碰撞。我们不可能看到这次碰撞，但是这个过程发出的光要花几百万年才能到达地球，我们可以舒服地坐在这里观看结局。

当两个星系团碰撞时，它们的气体和尘埃会呈现壮观的景象。在巨大的爆炸中，巨大的尘埃云被撕裂。这是一场带有特殊效果的“豪华演出”。你可以想象两大堆水气球以近乎疯狂的高速撞向对方，那景象或许能帮助你想象星系团的碰撞。

但是天文学家注意到了另一个现象。在碰撞地点附近，他们发现了两团巨大的暗物质。当然，暗物质是不可见的，但是天文学家发现，附近星系发出的光被暗物质团块扭曲了，这就证明了暗物质的存在。这两团暗物质沿着碰撞的方向运动，好像什么事都没发生过。

天文学家把这些信息放到一起，梳理了一番。曾经有两个星系团，每一个都包含常规物质（主要是气体、尘埃、恒星）和暗物质。当两个星系团碰撞时，大部分的气体和尘埃撞到了一起（你能想象的普通物质当然会这样）。但是暗物质撞进另外一团暗物质中会怎样呢？人们什么都探测不到！暗物质团块会继续运动，穿过对方，就好像它们都是透明的。两堆恒星也会互相穿过，但那是因为它们在太空中太稀疏了。

比许多星系还大的巨大物质团块就这样互相穿过了。从本质上讲，碰撞将星系中的气体和尘埃剥离了。