下落不明的物质在哪里？

地球上的万物都由一百多种化学元素组成，每种元素均由质子、中子、电子等组成。人们自然地会想到浩瀚的茫茫宇宙间的物质成份是否与地球上一样，也由这些化学元素构成？

但从天体物理观察得到的结果证实，宇宙中各种化学元素（或中子、质子）的总和，按质量计也许不超过宇宙总质量的1/10，而9/10的质量则是由所谓的“不可视物质”或“暗质量”贡献的。也就是说，构成人类自身的各种物质成份，并不是宇宙间的主要成份，而只是占质量不到1/10的次要成份。

不可视物质的发现要追溯到20世纪30年代。在研究天体的物理性质时，必须要确定其质量，当然无法用天平之类去称量。测量天体质量的方法有两种，一种是光度方法，即测量这个星系团中一些星系的光度，由于星系的光度与其质量有一定的关系，从测量光度就可推知相应星系的质量。然后把各星体的质量加起来就得到整个星系的总质量。另一种方法是动力学方法，即测量各个星系的运动速度。由于星系的平均速度是由整个星系的质量决定的，因而由运动速度就可以推知星系团的总质量。

经大量观测发现，用这两种方法得出的质量差别极大。用动力学方法测得的质量比用光度方法测得的质量竟大400倍。这意味着宇宙中星系团内看不见的天体质量（即称“不可视物质”或“暗质量”）要比看得见的天体质量（即称“可视物质”）大得多，因为用光度方法测出的质量，只包含发光区的质量，不包括存在于不发光区的物质的质量。因此只要在不发光区含有大量的物质，光度质量就会比动力学质量小得多，于是就产生了天文学上著名的“下落不明的质量”问题。在太阳系附近，在星系团内部，甚至在宇宙中更大尺度的茫茫无垠的空间里，是不是隐藏着光学波段观测不到的大量下落不明的宇宙物质呢？

最早有人提出星系的暗包层是弥漫的气体。“下落不明的物质”就是由这些弥漫气体贡献的。星际空间，确实发现很多弥漫的气体，例如很多恒星周围被炽热的气体裹着。然而，射电观测证明，星系引力不可能把质量比本身还要大得多的气体束缚着。经简单估算，星系的暗包层气体不会很多，最多为星系质量的10%。

有人提出“下落不明的物质”是由固体尘埃组成，星系团中心是星系簇集的地方。如果每个星系外围都有质量比星系本身还要大的尘埃晕，那么尘埃对星系团中心的星系会产生很大的消光效应，从而引起星光昏暗，这样观察到的星系团中心区将反而比它的外围暗。然而，这与观察结果相矛盾。

当然，宇宙中“下落不明的物质”不仅局限于星系周围的暗包层，而应在更大尺度的宇宙空间即所谓宇宙背景上去寻找可能还会有什么别的物质。宇宙中主要成份是氢——中性氢或电离氢，无论它们分布是否均匀，都能用射电、光学和X射线探测出来。中性氢原子气体能吸收或发射21厘米波长的射电波，我们可以从观测21厘米射电谱线的强度来推断氢的密度，若在星系团中平均每立方厘米体积里有1/100个氢原子，它们的总和就足以补足短缺的质量了，可是，在大尺度的宇宙射电背景辐射中并没有发现21厘米的吸收线，这说明从能观测到的宇宙背景上中性氢原子的密度极低，估计密度小于10－6/厘米3。为了寻找宇宙中“下落不明的物质”，在20世纪70年代人们又提出另外几种假说。其中最引人注意的是中微子具有静止质量的假说。1973年有人提出如果中微子具有静止质量，那么它们很可能成为宇宙中下落不明物质的主要候选者。可是基本粒子的理论告诉我们，中微子如同光子一样，静止质量等于零。但不久前初步得到的实验却表明，每个中微子具有约为34电子伏特的静止质量（电子静止质量为10－27克，相当于50万电子伏特）。虽然每个中微子的质量微不足道，但由于宇宙中充满了大量的中微子，所以它们可能是最大一笔下落不明的物质。当然，中微子是否具有静止质量，尚无定论，需进一步实验验证。按照目前流行的理论，宇宙存在一个临界密度值。如果宇宙中的物质的平均密度比它小，正在膨胀的宇宙将一直膨胀下去，若宇宙中物质的平均密度比它大，则在引力的作用下，宇宙最终要停止膨胀并转而收缩，有可能又会聚成一点，以后又发生爆炸。因此解决宇宙中“下落不明的物质”问题，是决定宇宙未来“前途”的大事，也许在不久的将来，这个问题的答案就会揭晓。