20世纪70年代，美苏双方的研究团队都提出假设，一种未知的物质可能构成了宇宙中的大部分质量。
编译 王晓涛
1974 年发表的两篇论文改变了我们对宇宙面貌的认识。两篇文章由美国和爱沙尼亚的两个团队独立撰写，并且都指出星系的质量和范围是以前认为的10 倍。这两个小组结合了各种天文观测结果后给出结论：宇宙的大部分质量都隐藏在星系周围的不可见空间中。这进一步说明，宇宙本身也比以前认为的要重10 倍，这可能会改变人类对宇宙命运的理解。1999年《天体物理学杂志》百年刊上的一篇评论写道，这一观点是“我们对星系结构、星系形成和宇宙学理解的分水岭”。可以说，50 年前的这两篇论文让我们发现了暗物质的存在。
爱沙尼亚南部的夜空，中心可见银河系
如今，暗物质不仅是现代宇宙学的支柱之一，也是其核心难题之一。分布在整个宇宙中的不可见物质的存在是理解宇宙结构和演化的关键：它解释了星系是如何运动的，以及它们最初存在的原因。但与此同时，经过几十年的专门研究和实验，暗物质的确切性质——这些物质实际上是由什么组成的——仍然未知。目前，数十项大规模的国际实验工作，包括在地下矿井和空间站的实验，正试图探测一些暗物质候选者存在的证据。1974 年的那两篇论文构成了这些想法的基础，开创了我们在理解宇宙的征程上一个令人振奋的新时代。
我们来说一说这两篇论文是如何提出暗物质理论的。这个故事与通常的暗物质研究历史不同，后者通常以天文学家弗里茨 • 兹威基（Fritz Zwicky）和薇拉 • 鲁宾（Vera Rubin）的角色为中心。在20 世纪30 年代，兹威基发现，如果没有额外的质量，星系团中的星系是不稳定的。而在20 世纪70年代，鲁宾观察到星系的旋转速度比它们的发光质量给出的速度要快。天文学教科书通常利用这些观测结果作为暗物质存在的证据。
但事实和观测并不能真正说明历史的细节。为了理解暗物质的起源，我们需要知道兹威基、鲁宾和其他人之前的观察结果是如何被解释为暗物质存在的证据的。它们是在什么样的背景下被用来证明宇宙中有大量的缺失物质的？是谁开始关注到这些，原因又是什么？这些事实际上是50 年前在美苏双方独立发生的。
寻找两个数字
一部分故事始于一位多产的年轻天体物理学家杰里迈亚 • 奥斯特里克（Jeremiah Ostriker）。作为一名研究恒星的专家，奥斯特里克于1959年获得哈佛大学物理和化学学士学位，然后在芝加哥大学跟随苏布拉马尼扬 • 钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）攻读博士学位。钱德拉塞卡以恒星天体物理学的开创性工作而闻名，这使他获得了1983 年的诺贝尔物理学奖。在钱德拉塞卡的领导下，奥斯特里克开始了恒星及其自转方面的研究。他博士阶段的研究表明，恒星在解体前旋转的速度有一个严格的限制。在剑桥大学短暂工作后，奥斯特里克于1965年在普林斯顿大学获得助理教授职位，在那里他继续投身于恒星物理学方面的工作。
1980 年，杰里迈亚 • 奥斯特里克在中国发表演讲
奥斯特里克的研究领域——恒星的性质和演化——自20 世纪30 年代以来一直是天文学的主要研究方向。但该领域的焦点在20 世纪60 年代开始迅速转移。在冷战时期技术发展的帮助下，天文学家开始通过电磁波谱的观测为研究宇宙打开新的窗户。人们对爱因斯坦的广义相对论重新产生了兴趣。天文学工作人员急剧增加，新一代研究人员开始观察银河系内外的新现象，包括类星体、脉冲星和宇宙微波背景。宇宙学成为年轻天体物理学家的全新研究焦点。
包括奥斯特里克在内的新一代人开始与埃德温 • 哈勃（Edwin Hubble）的经典宇宙学研究分道扬镳。艾伦 • 桑德奇（Allan Sandage）在1970年2 月的《今日物理》文章标题中称之为“寻找两个数字”：测量宇宙膨胀的哈勃常数，以及量化膨胀放缓速度的减速因子。20 世纪60 年代末，新西兰天文学家比阿特丽斯 • 廷斯利（Beatrice Tinsley）及其同事发现，星系的亮度会随着年龄的增长而变化。正如奥斯特里克在一次采访中回忆的那样，这项工作引起了人们对传统想法的“怀疑”。“突然间，我们意识到星系会演化。”他说。随着这一发现，哈勃的一些经典宇宙学测试被认为是不可靠的。相反，研究人员开始利用观测来研究星系及宇宙中存在的许多物理过程。
一张未注明日期的照片中，年轻的詹姆斯 • 皮布尔斯在黑板前讲课
到1971 年，当奥斯特里克被提升为普林斯顿大学的正教授时，他已经将注意力从恒星转移到了星系。他利用自己在恒星演化方面的专业知识，展示了恒星演化过程如何影响星系在其生命周期内的总光度。奥斯特里克深入研究的另一个问题则是受到了他关于旋转恒星的研究生工作的启发：旋转星系如何在其生命周期内保持稳定？然而，要回答这个问题，需要用计算机对星系进行建模——奥斯特里克对此并不熟悉。他转向同事詹姆斯 • 皮布尔斯（James Peebles）寻求帮助。
星系能存活吗？
皮布尔斯在加拿大曼尼托巴省温尼伯出生并长大，在1958 年到普林斯顿大学学习物理之前，他获得了曼尼托巴大学的学士学位。尽管皮布尔斯最初从事粒子物理学研究，但他最终被引力物理学家罗伯特 • 迪克（Robert Dicke）的工作吸引。1960 年，迪克以其独特的实验测试不同的引力理论的方法而闻名。1964 年，迪克要求皮布尔斯考虑宇宙早期炎热而稠密的环境中潜在残留物的后果，即天空中可观测到的宇宙微波背景。1965 年观测到宇宙微波背景时，皮布尔斯正经历现代大爆炸理论的摇篮时代。作为新的“物理”宇宙学的先驱之一，他研究了大爆炸中核元素的合成、星系的形成和宇宙结构等方向，并因此获得了2019 年诺贝尔物理学奖。
1965 年爱沙尼亚托拉维尔雷塔尔图天文台的鸟瞰图
当奥斯特里克敲门时，皮布尔斯刚刚从美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯著名的核研究设施回来，在那里他被邀请帮助研究1969 年一颗卫星探测到的高能伽马辐射的闪光。（尽管探测器是一颗用于监测核武器试验的卫星，但那次闪光后来被确认为是首次探测的伽马射线爆发。）皮布尔斯很好地利用了这次访问：他使用了该设施的超级计算机——它通常用于模拟核武器和爆炸——首次模拟了宇宙中的星系团。结果表明，在重力作用下，均质的物质浓汤会逐渐结块。
回到普林斯顿后，根据奥斯特里克的建议，皮布尔斯利用他的计算机穿孔卡的灵巧性，“敲出了一些多体结构”。准确地说，是500 个物体：他的模型通过使用重力作用下在圆盘中移动的星状粒子来模拟星系的稳定性。奥斯特里克和皮布尔斯很快发现，他们模型中的旋转星系“快速且非常不稳定”。在他们的计算中，恒星盘在单次旋转后就会解体。
一定有些不对劲的地方。众所周知，银河系的存在时间比一次自转要长得多。那么，它是如何在真实的宇宙中生存下来的呢？他们认为，需要重新思考星系质量的分布。他们没有假设所有质量都位于明亮的圆盘中，而是认为更多的质量位于星系的球形凸起中，他们称之为“晕”。这个晕将有助于在星系旋转时保持稳定。
很少有星系动力学家对奥斯特里克和皮布尔斯的新想法充满热情。除了其他怀疑的原因外，大家尚不清楚他们的分析是否适用于所有星系。它能解释那些不是旋转对称的星系吗？如果可以，那么一个巨大的光环是防止不稳定的唯一方法吗？许多天文学家同意麻省理工学院天文学家阿拉尔 • 图姆雷（Alar Toomre）的观点，他在奥斯特里克和皮布尔斯于1973年发表论文的几个月后称这一想法为“一次真正的偏头痛”。
宇宙的质量
尽管奥斯特里克和皮布尔斯的论点仍然存在争议，但它成功地激励了当时休假的以色列特拉维夫大学讲师阿莫斯 • 叶希尔（Amos Yahil）。叶希尔于1970 年在加州理工学院获得了博士学位，但他对粒子物理学领域的研究并不满意，于是转向了宇宙学。1971年至1973 年，他在新泽西州普林斯顿高级研究所做博士后时，开始研究宇宙中的质量分布，而这被认为是理解膨胀宇宙命运的关键参数之一。宇宙是否“开放”，即它是否会永远膨胀？或者它是“封闭的”，这意味着它的质量如此之大，以至于在遥远未来的某个时候，重力会导致它再次坍塌于一点？
为了研究宇宙的质量分布，叶希尔开始对星系团进行建模。尽管其他研究人员使用清晰的空间边界对星系团进行了建模，但叶希尔观察到了一些奇怪的现象：星系计数表明星系团没有明确的截止点。换句话说，星团的密度似乎没有明显的空间上的临界点。1972 年，在听了奥斯特里克关于大质量星系晕可能性的演讲后，叶希尔开始怀疑星系是否像星团一样，也缺乏质量突然结束的明确临界点。他向奥斯特里克发送了一份关于这一主题的草稿，开始了他们成效显著的合作。
奥斯特里克本人也受到了晕想法的启发。他在一次采访中回忆道：“如果圆盘不主导星系质量内部，那么也许它也不会主导外部。”奥斯特里克和叶希尔开始合作，看看他们的想法是否真的成立。如果一个球形暗成分在星系的外缘总是占主导地位，该怎么办？两人很快邀请刚刚写了一本关于宇宙学和宇宙质量分布的教科书的皮布尔斯加入他们的合作。
该团队从各个天文学子学科收集了星系质量的动态测量数据。这些测定基于解释宇宙物体运动所需的引力。它们包括星系对、小星系群和大星系团以及旋转星系。三人发现，星系质量的动态测量值随着星系半径的增加而不断增加。换句话说，测量得越远，系统质量就越高——即使是星系发光盘之外的测量结果。他们在1974 年10月发表的论文中得出结论：“普通星系的质量可能被严重低估。”星系没有明确的边界，但被延伸的、看不见的大质量晕包围着，它们可能是“暗淡的恒星”。加在一起之后，这些隐藏的晕大大增加了宇宙的质量，这表明宇宙可能是封闭的。
苏联一侧的平行研究
在苏联，普林斯顿以东近6500公里处，也得出了类似的结论。当尤里 • 加加林（Yuri Gagarin）于1961年进入太空时，苏联正在陆地上培养一支强大的宇宙物理学队伍。它的主要推动者之一是雅科夫 • 泽尔多维奇（Yakov Zeldovich），一位以20世纪40年代苏联核弹项目工作而闻名的物理学家。他开始召集一群聪明的物理学家来解决宇宙问题。与迪克在美国的团队并行工作期间，泽尔多维奇和他的团队很快因其在中微子、类星体、黑洞和宇宙微波背景方面的工作而享誉国际。泽尔多维奇在莫斯科国立大学斯特恩伯格天文研究所每周两小时的研讨会成为宇宙学研究的中心，吸引了来自苏联各地的科学家。
1974 年，詹 • 埃纳斯托在高加索山脉的厄尔布鲁士山上
1971年，一位名叫詹 • 埃纳斯托（Jaan Einasto）的42 岁的天文学家主持了斯特恩伯格研讨会，他从距离塔尔图市20 公里的小镇托拉维尔乘火车前往当时的爱沙尼亚苏维埃社会主义共和国。塔尔图天文台原来位于托拉维尔城内，1964 年迁至城外，埃纳斯托在迁址过程中帮了忙。爱沙尼亚的天文遗产可以追溯到19 世纪初，当时著名的波罗的海德国天文学家弗里德里希 • 冯 • 斯特鲁夫（Friedrich von Struve）通过对双星的观测帮助塔尔图天文台声名鹊起。埃纳斯托是战后爱沙尼亚天文学新一代的一员。
埃纳斯托受邀前往莫斯科讨论星系的新理论模型，这是他在格里戈里 • 库兹明（Grigori Kuzmin）指导下获得博士学位以来一直在研究的课题。埃纳斯托与廷斯利以及美国其他天文学家并行工作，旨在通过模拟星系的光度和物质分布，从数学上描述和理解星系的演化。最重要的是，他的目标是通过使用已知的恒星群来精确地模拟星系。根据现有的观测结果，他模拟了恒星群在星系各部分中的分布，如凸起、核心和圆盘等部分。在莫斯科，他举办了一场研讨会，讨论他最近建立的仙女座星系模型。仙女座星系是银河系最近的邻居。这引起了泽尔多维奇的兴趣，他邀请埃纳斯托出席高加索山脉一年一度的苏联天体物理学冬季学会。
到1972 年，就仙女座星系模型进行了多次对话后，埃纳斯托在一次采访中回忆道，他陷入了“僵局”。他偶然发现了西弗吉尼亚州格林班克国家射电天文台的射电天文学家莫顿 • 罗伯茨（Morton Roberts）的一篇论文，该论文使用氢云来模拟仙女座星系的自转。罗伯茨的数据显示，这些云沿着银河系边缘移动得非常快，超出了圆盘中可见的恒星。有什么可以解释银河系边缘的现象？“没有任何恒星群体的组合能够解释星系的自转数据。”埃纳斯托在他的自传中写道。这是一个埃纳斯托无法解决的问题，直到他与天文台的一位同事谈到了这一点。
高加索地区的一枚炸弹
正是同事、宇宙学家恩 • 萨尔（Enn Saar）帮助埃纳斯托上了一堂宝贵的引力物理学课。萨尔是两名爱沙尼亚渔民的儿子，从小就带着火柴和报纸步行上高中，以抵御狼群，并对宇宙有着浓厚的兴趣。1972 年，在宇宙学家阿尔费德 • 撒帕（Arved Sapar）的指导下，萨尔在塔尔图大学为他的大爆炸宇宙学博士学位答辩后不久，开始与埃纳斯托讨论星系外缘建模的问题。萨尔在一次采访中说，“想法有所差异”。他在宇宙学方面的经验使他认为扩展星系几乎没有问题。他说，没有边界是“任何引力体的正常状态”。也许有比肉眼看到的更多的东西，因此星系可以远远超出它们的发光盘。
1974 年的恩 • 萨尔
对于埃纳斯托来说，萨尔的见解意味着“放弃星系中只存在已知恒星群体的想法”。它们可能被一个性质未知的新群体包围。埃纳斯托和萨尔将这种看不见的群体命名为“星系冕”。埃纳斯托在1972年雅典举行的第一届欧洲天文会议上提出了他的想法。他在摘要中写道：“星系可能被巨大的冕包围着。”埃纳斯托提出，“未知物质”可能以“稀薄电离气体”的形式存在。埃纳斯托在一次采访中回忆道，人们对他在雅典的演讲的反应是冷淡的。这种反应让他下定决心要找到更多的数据来支持他的说法。
在苏联，这不是一个小任务。据说，以与卡尔 • 萨根（Carl Sagan）合作而闻名的俄罗斯著名天文学家约瑟夫 • 什克洛夫斯基（Iosif Shklovsky）曾开玩笑说，苏联所有的天文观测都是通过美国的《天体物理学杂志》进行的，因为苏联天文学家经常受到天气条件和设备问题的阻碍。但即使在苏联，尤其是在远离列宁格勒或莫斯科等科学中心的爱沙尼亚，获得美国期刊也并非易事。埃纳斯托经常被迫使用国外旅行津贴来购买《天体物理学杂志》等出版物。
通过对国际文献的艰苦搜索，埃纳斯托发现了长期存在的“兹威基问题”：星系团和星系团中的星系似乎移动得如此之快，以至于它们要么正在爆炸，要么需要大量额外的质量来稳定它们。埃纳斯托发现了关于星系群和星系对的数据，这些数据将补充罗伯茨的星系旋转数据，并有力地证明了看不见质量的冕一定存在。他还了解到，X 射线研究表明，星系没有足够的电离气体来解释其冕中的所有质量。这一知识促使他假设，质量可能由类似新的恒星群体的东西组成。埃纳斯托与萨尔和当地学生昂斯 • 卡西克（Ants Kaasik）一起努力计算。
雅科夫 • 泽尔多维奇和杰里迈亚 • 奥斯特里克（从左到右）于1979 年在莫斯科
1974年1月，他们在高加索地区泽尔多维奇的年度冬季学会上展示了他们的作品。在欧洲最高峰厄尔布鲁士山的背景下，埃纳斯托分享了他对星系冕的看法：星系周围一定有一个未知的非恒星物质群。正如他后来写道的那样，这“就像炸弹爆炸了一样”。泽尔多维奇团队中狂热的年轻物理学家立即开始进行粗略的计算：冕可能由气体或中微子云组成吗？当埃纳斯托、萨尔和卡西克开始为苏联天文刊物《天文学通报》撰写他们的结论时，他们的主持人介入了。“泽尔多维奇坚持认为这必须发表在一些非常重要的期刊上。”埃纳斯托在一次采访中说道。
在泽尔多维奇的建议下，埃纳斯托和他的团队决定将他们的论文翻译成英文，并将其发送给著名的英国杂志《自然》。“这是一个奇怪的想法，”萨尔说，“因为我们知道这几乎是不可能的。”这不仅是他们在如此著名的英语期刊上发表的第一篇论文——在塔尔图，在当地的天文公报《塔尔图天体物理观测站通报》上发表结果长期以来一直是标准做法——而且当时，克格勃会彻底检查每一封发出的国际邮件。
这个过程很无聊：需要避免使用“原子”等简单的科学词汇，因为痴迷于保密的克格勃审查人员可能会将它们与核武器联系起来。研究小组对观测证据的一项更正在这之后从未被添加进去，因为他们给英国的回信被审查程序搁置，并在《自然》杂志付印后才送达。然而，这篇文章取得了成功。它于1974 年7月问世，比普林斯顿大学的研究小组早几个月。他们写道：“有证据表明，星系被质量超过已知恒星一个数量级的巨大的冕包围。”他们的证据还表明，冕假说意味着宇宙的总质量比以前认为的大10 倍，这意味着未知的暗物质构成了宇宙中大部分的物质。
从异端到正统
在地球的两侧，埃纳斯托和奥斯特里克的团队独立地证明了暗物质的存在。尽管在截然不同的政治背景下工作，但这两个小组都涉及年轻天体物理学家和研究星系的宇宙学家之间的合作。他们提出的证据既不是简单的证明，也不是像兹威基或鲁宾那样的单一观察，而是使用不同论据组合的推理。正如皮布尔斯在采访时所说：“最好的论据是什么？可以说没有哪个是最好的。这个案例中没有一个论据是令人信服的，但有如此之多的论据指向了同一个方向。”这两篇论文是新兴的物理宇宙学领域及其跨学科团队合作以及方法论的典范：将来自不同尺度（从恒星和星系到星系团）的数据和论点结合起来，形成一个统一的宇宙物理图景。
尽管这些文件具有历史意义，但并没有立即受到热烈欢迎。奥斯特里克说：“人们认为这太疯狂了。”萨尔回忆说：“大多数天文学家和物理学家根本不喜欢这个东西。”一些天文学家对这些小组使用的部分数据提出了异议。天体物理学家杰弗里 • 伯比奇（Geoffrey Burbidge）公开表达了他对这一想法的厌恶，并在两篇论文发表几个月后在《天体物理学杂志》上进行了严厉的回应。“与埃纳斯托等人和奥斯特里克等人获得的结果相反，”伯比奇在论文中写道，“没有明确的动力学证据表明星系有非常大的晕。”他特别批评了这样一种假设，即人们可以通过观察星系的动力学来测量星系的质量。
直到20 世纪70年代后期，失踪物质假说——星系被冕或不可见质量的光晕包围的想法——才成为天文学和宇宙学思想的主要内容。普林斯顿大学和塔尔图大学的团队都在努力争取，希望他们的提议被接受。1975 年，埃纳斯托在爱沙尼亚塔林组织了一次会议，与泽尔多维奇和他的学生讨论了看不见的冕的可能性。同年，他在格鲁吉亚第比利斯举行的第三届欧洲天文学会议上设立了一个关于“失踪质量”的专门会议。1976 年，奥斯特里克在美国国家科学院的一次演讲中为自己的观点辩护，他认为“大部分质量不是普通的太阳型恒星，而是其他一些黑暗的恒星”。此时，大多数机构的态度已经有了一百八十度的翻转。“两年内，我们从异端变成了正统。”叶希尔说。
1977 年，在国际天文学联合会的一次研讨会上，詹姆斯 • 皮布尔斯（最左）和詹 • 埃纳斯托（最右）与乔治 • 阿贝尔（George Abell，左二）以及马尔科姆 • 朗艾尔（Malcolm Longair，右二）交谈
1977 年后，他们的论点得到了更多的支持。光学和射电天文学家发表了新的星系旋转数据，显示出更多看不见的质量的迹象。宇宙学家开始提出理论，认为缺失的物质会影响星系的形成。粒子物理学家将这种神秘物质与宇宙中中微子的潜在背景联系起来。在这两种情况下，理论物理学家都接受了质量缺失的证据，并将这一观点作为支撑宇宙粒子和结构形成理论的核心论点。换句话说，研究人员称之为暗物质的东西现在是构建宇宙理论的基础。到20 世纪70 年代末，这一现实似乎已经不可避免。天文学家珊德拉 • 法贝尔（Sandra Faber）和约翰 • 盖勒格（John Gallagher）在1979年的一篇评论论文中写道：“我们认为，不可见物质的发现很可能会成为现代天文学的主要结论之一。”事实确实如此。
资料来源 pubs.aip.org
本文作者雅科 • 德斯沃特（Jaco de Swart）是马萨诸塞州坎布里奇市麻省理工学院的博士后研究员。作为一名训练有素的物理学家和历史学家，他目前正在创作一部关于暗物质历史的著作
