四、星系与暗物质

除了形态之外，质量也是星系的一个重要物理量。星系中的恒星绕着星系中心旋转，可以根据恒星的运动情况，通过力学定律推算出星系的质量，这个叫引力质量。另外，以太阳系为例，作为太阳系的中心天体，太阳这一颗恒星的质量占了太阳系总质量的99.8%。所以天文学家通过统计星系中恒星的个数以及它们的发光情况来计算星系的总质量，这个叫光度质量。结果发现，对于同一个星系，测出来的引力质量总是比光度质量大得多，这就说明星系中有很大一部分质量是不发光的，看不见的，于是引出了暗物质（dark matter）这一概念。科学家曾经提出了各种暗物质的候选者，从流浪行星、褐矮星、白矮星、中子星、黑洞到星际气体等，但是它们中没有任何一个能够解释暗物质的存在。科学家有充分的证据表明，没有足够多的流浪行星、褐矮星、白矮星来解释所有的暗物质，而黑洞和中子星也很罕见。

一种完全不同的可能性是，暗物质根本不是由我们所熟悉的物质组成的，不是褐矮星那样的普通物质，而是一种弥漫在整个宇宙空间中的奇异粒子。为了解释暗物质的性质，这些粒子必须具有质量，以产生观测到的引力效应，同时又几乎不和普通物质发生电磁相互作用，否则我们就能够看到它们。满足上述要求的一类候选粒子被称为弱相互作用大质量粒子，简称WIMP。许多天体物理学家认为，这种暗物质粒子可能是在宇宙极早期大量形成的。如果有足够数量的此类粒子存续到今天，就能解释暗物质的存在。观测和研究表明，暗物质是宇宙的重要组成部分，总质量约为普通物质的6倍。目前科学家普遍接受暗物质的存在，而WIMP是暗物质最有希望的候选者。