1.暗物质的发现

1933年，瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）在加州理工学院工作期间研究了后发座星系团，特别是它的旋转速度。星系团包含很多星系，就像旋转木马一样。兹威基根据星系团边缘星系的运动速度来计算星系团的总质量（引力质量），又基于星系团亮度和星系数量来估计星系团的质量（光度质量），并将两者进行比较。他发现星系团的引力质量大约是光度质量的400倍。大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的引力质量比光度质量大得多，否则星系团根本无法束缚住这些星系。兹威基推断一些看不见的物质提供了质量和引力，将星系团聚集在一起。兹威基的计算误差超过了一个数量级，主要是因为计算中用到的一些参数并不准确。尽管如此，兹威基的基本结论是正确的：星系团中的大部分物质是看不见的。

图8-17 星系自转曲线

维拉·鲁宾（Vera Rubin）、肯特·福特（Kent Ford）和肯·弗里曼（Ken Freeman）在二十世纪六七十年代的研究工作提供了进一步的有力证据。他们发现，不仅是星系团，单个星系的引力质量也比光度质量大。他们使用了星系自转曲线的分析方法，以更高的精度测量了仙女座星系边缘的速度曲线，发现其自转曲线比较平坦，在远离星系中心的地方旋转曲线没有下降。星系自转曲线大致如图8-17所示，图中虚线A对应的是理论预测的曲线，实线B代表的是实际观测到的曲线。观测结果显示在星系晕中应该存在大量的暗物质，使得星系外围的旋转速度上升。鲁宾和她的团队所做的工作牢固地确立了暗物质的概念。后续其他证据陆续表明，不可见物质构成的大质量晕在星系中可能很普遍，大多数星系的黑暗质量是可见质量的6倍左右。