1973年的一天，普林斯頓大學(xué)的天文教授奧斯特里克（Jeremiah Ostriker）來到物理教授皮布爾斯的辦公室，一臉困惑地表示他想不通銀河到底是怎么回事？
奧斯特里克一直專注星球的旋轉(zhuǎn)。處于高溫高壓氣態(tài)的恒星在動力學(xué)上應(yīng)該與液態(tài)水滴相似：如果沒有轉(zhuǎn)動，星體會是一個標(biāo)準(zhǔn)的球形；如果在旋轉(zhuǎn)的話，就會變扁。我們的地球因為自轉(zhuǎn)也是一個扁球體：赤道處的半徑稍大，兩極則稍小，只不過是地球大致是固體，24小時一圈的自轉(zhuǎn)非常平緩，變形也就非常之小。
奧斯特里克鉆研的是白矮星、中子星，他對這些密度很大、自轉(zhuǎn)又很快的星體處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的外形很熟悉。這天他偶然瞥見一幅銀河系的圖像，突然覺得很不對勁：由眾多恒星組成的星系在動力學(xué)本質(zhì)上也與單個星體或水滴類似，如果一個水滴或星球已經(jīng)變得非常之扁，以至于基本上是一個二維的圓盤時，其轉(zhuǎn)動會非常不穩(wěn)定，或者被擠成一根細(xì)棍（bar shape）狀，或者干脆分崩離析。
地球處于銀河之內(nèi)，沒有人能夠從外面看到她的全貌。但在1970年代，天文學(xué)家已經(jīng)可以通過測量銀河系內(nèi)——尤其是邊緣——星球的分布和速度構(gòu)造出她的整體形狀。與我們看到的銀河之外的眾多星系類似，銀河像一個鐵餅，中間微凸，四周則如平面的盤子，并在旋轉(zhuǎn)著。
歐洲南方天文臺2009年制作的銀河“全景圖”
奧斯特里克一眼就能看出這么個形狀的星系最多轉(zhuǎn)一兩圈就會分解。然而，根據(jù)已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)，銀河自從誕生后已經(jīng)至少轉(zhuǎn)了十幾圈。在銀河之外，天上有數(shù)不清的圓盤式的星系。有些星系的中心的確有細(xì)棍的形狀，但都很小，與整個星系相比微不足道。其它星系則干脆沒有一點細(xì)棍的跡象，是相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的橢圓。它們都好好地存在并旋轉(zhuǎn)著。
皮布爾斯聽后很感興趣。這幾年，他和他的幾位研究生對洛斯阿拉莫斯編寫的用來模擬大型星系團(tuán)的小程序作了很大改進(jìn)，模擬的數(shù)據(jù)點從區(qū)區(qū)300個增加到2000。原來的每一個點代表著一個星系，因此整體地構(gòu)成星系團(tuán)。現(xiàn)在他們把每個點改為代表一個恒星，這樣就有了一個星系模型。群星的初始位置設(shè)為平面的圓盤狀，再給每顆星以合適的速度讓整個星系旋轉(zhuǎn)起來。然后，他們倆盯著計算機(jī)的打卡輸出查看結(jié)果。
果然，程序沒運行多久，代表星球的點四處亂跑，無法保持圓盤形狀。兩個年輕教授費盡心思調(diào)試各種可能的條件變化，竭力讓星系能穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。最后，他們終于找到了一個訣竅：在平面的星系外再加上一個有質(zhì)量的圓球殼，為中間的星系提供附加的引力。有了這么一層殼，模型星系就可以進(jìn)入穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。
他們把這個憑空添加的球殼叫做“暈輪”（halo）。因為它很像在地球上常見的“日暈”、“月暈”現(xiàn)象：太陽或月亮的外圍似乎被籠罩上一圈光亮的圓輪。
尼泊爾喜馬拉雅山區(qū)的一次日暈景象
日暈、月暈是我們能看到的自然現(xiàn)象，它是地球大氣層中的冰晶對光線折射的結(jié)果，并非是太陽或月亮周圍突然出現(xiàn)了新的光源。但是，皮布爾斯和奧斯特里克在模型中引入的暈輪必須是“實在”的，因為正是暈輪中的質(zhì)量與星系質(zhì)量之間的引力作用在維持星系的穩(wěn)定。因此，暈輪中的質(zhì)量非同小可：它們至少需要與已知的星系的總質(zhì)量相當(dāng)，甚至更大。
問題是，在所有天文觀測中沒有任何直接證據(jù)表明星系周圍存在著球形的質(zhì)量分布，除非，魯賓和福特等人發(fā)現(xiàn)的仙女星系旋轉(zhuǎn)速度之謎可以用來作為一個證據(jù)：暈輪中存在的 “額外”質(zhì)量正好可以解釋星系外圍的旋轉(zhuǎn)速度。
皮布爾斯和奧斯特里克倆發(fā)表了這一模擬結(jié)果，接下來他們又讓一位博士后對那時估算宇宙質(zhì)量的方法、結(jié)果做了一番系統(tǒng)的普查。1974年又發(fā)表了一篇題為《星系的大小和質(zhì)量以及宇宙的質(zhì)量》（The Size and Mass of Galaxies, and the Mass of the Universe）的論文。
這篇論文的開篇第一句就頗有石破天驚：“現(xiàn)在有理由——在數(shù)量和質(zhì)量上都越來越充分——相信星系的質(zhì)量被低估了十倍或更多。由于宇宙的平均密度來自觀測到的星系密度乘以星系的平均質(zhì)量，整個宇宙的平均質(zhì)量密度也因之被同樣地低估了。”（There are reasons, increasing in number and quality, to believe that the masses of ordinary galaxies may have been underestimated by a factor of 10 or more. Since the mean density of the Universe is computed by multiplying the observed number density of galaxies by the typical mass per galaxy, the mean mass density of the Universe would have been underestimated by the same factor.）也就是說，我們宇宙中不知道的質(zhì)量不僅存在于暈輪中的加倍，還更多得多，多到已知質(zhì)量的十倍以上。
論文發(fā)表后，天文界輿論大嘩。這個奇葩的觀點不僅被認(rèn)為是天方夜譚，甚至被作為偽科學(xué)批駁。從古希臘到今天，一代又一代仰望星空的天文學(xué)家把視野越擴(kuò)越廣、越伸越遠(yuǎn)，終于在20世紀(jì)末看到了宇宙的開端和全貌。奧斯特里克和皮布爾斯卻在此時當(dāng)頭一棒：且慢，你們所看到的不過是宇宙的皮毛——不到十分之一的皮毛。宇宙中還存在著更多的物質(zhì)，你們卻一無所知！
1976年4月，奧斯特里克應(yīng)邀在美國科學(xué)院年會上介紹宇宙學(xué)的最新進(jìn)展。他講解了宇宙的質(zhì)量之謎，包括仙女星系的旋轉(zhuǎn)。講演之后，一個老人在走廊里把他叫住，要跟他聊一聊。
老者自我介紹之后，奧斯特里克才知道他是63歲的天文界前輩巴布科克（Horace Babcock）。年輕時，巴布科克作為加州大學(xué)伯克利分校的研究生曾經(jīng)在威爾遜山用胡克望遠(yuǎn)鏡觀測過仙女星系的旋轉(zhuǎn)速度。那時他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)星系內(nèi)接近邊緣地方的速度比中心大，說明星系外圍的質(zhì)量比我們看到的要多得多。巴布科克當(dāng)時認(rèn)為這可能是星系中塵埃對光的散射相當(dāng)強(qiáng)造成的，導(dǎo)致我們看到星系外圍的光強(qiáng)比實際的弱很多，因而低估了那里恒星的密度。
巴布科克給奧斯特里克看了他手里拿著的又大又厚的博士論文，里面記載了仙女星系旋轉(zhuǎn)的最早數(shù)據(jù)——這是他在1937年的努力，已經(jīng)完全被歷史忽略、遺忘。無獨有偶，奧斯特里克正是1937年出生的。但他對巴布科克提及的一無所知，只能一連聲地為在演講和論文中沒有引述他的成果而道歉。
早在1930年代，巴布科克也不是最先觸及宇宙中可能存在質(zhì)量異常的問題，他在威爾遜山天文臺的同事茲威基（Fritz Zwicky）的觀點更為明朗。
茲威基出生于保加利亞，父母都是瑞士人。1922年，他在愛因斯坦的母校、瑞士的蘇黎士聯(lián)邦理工學(xué)院獲得物理博士，隨后遠(yuǎn)渡重洋來到美國加州理工學(xué)院，在這里渡過了他的整個學(xué)術(shù)生涯。與伽莫夫類似，他在天文學(xué)界是出名的頭腦極度聰明、富有怪點子卻又處事乖戾、脾氣暴躁的角色。他與同行關(guān)系緊張，總愛說大多數(shù)天文學(xué)家都是“球形的混蛋”（spherical bastards）。他認(rèn)為，他們的“球形”不是出于模型的簡化，而是無論從哪個角度看都是同樣的混蛋。
天文學(xué)界奇人茲威基。
威爾遜山上的哈勃自然也是混蛋之一。因為哈勃的專制，茲威基沒有使用2.5米口徑胡克望遠(yuǎn)鏡的資格。在哈勃和胡馬森將人類的視野推向宇宙深處的同時，茲威基只能用另外口徑小一半的望遠(yuǎn)鏡觀測距離比較近的星系，但他從中看出了蹊蹺。
那時已經(jīng)有一些人相信宇宙中星系的分布不是均勻或隨機(jī)的，而是存在大尺度上的結(jié)構(gòu)。茲威基是其中最熱忱的一個。他花了很多時間觀測一個叫做“昏迷星團(tuán)”（Coma Cluster）的大團(tuán)伙，仔細(xì)研究其中星系的速度分布。
茲威基的方法與30年后的魯賓相似：先將各星系的速度隨宇宙膨脹的部分剔除，再看剩余的成分。當(dāng)然，他不是要尋找宇宙的旋轉(zhuǎn)。在他看來，那些剩余的速度是星系在星系團(tuán)中的隨機(jī)“熱運動”。從這些速度中他計算出星系的平均動能。同時，根據(jù)星系的質(zhì)量和距離，他也可以估算它們之間引力作用的平均勢能。這兩者應(yīng)該大致相等，否則系統(tǒng)不會穩(wěn)定。（在熱力學(xué)中，這是一個普適的“維里定理”（virial theorem）。）
然而，他算出的數(shù)據(jù)卻與預(yù)期的完全不符：星系團(tuán)中星系的平均動能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均勢能。如果是這樣的話，這些星系的相對速度太大，互相之間的引力不足以約束它們，那么星系就應(yīng)該彼此飛散，無法維持星系團(tuán)的結(jié)構(gòu)。
茲威基大膽地提出，昏迷星團(tuán)以及其它星系團(tuán)之所以能夠穩(wěn)定地存在，是因為它們之中還存在有我們沒觀察到的物質(zhì)。那些物質(zhì)的質(zhì)量提供了額外的引力勢能，避免了星系的分離。因為我們看不到那部分物質(zhì)所發(fā)的光，所以他把它們叫做“暗物質(zhì)”（dark matter）。
在那個年代，大尺度的星系團(tuán)是否是真實的存在尚未定論，茲威基的數(shù)據(jù)分析的可靠性也與后來的魯賓一樣未被信任。加上他本人不合群等諸多因素，他提出的暗物質(zhì)概念與巴布科克發(fā)現(xiàn)的仙女星系旋轉(zhuǎn)速度異常一樣，在其后的幾十年中逐漸被天文界主流所遺忘。
直到1970年代，魯賓和福特、奧斯特里克和皮布爾斯從不同途徑重新發(fā)現(xiàn)這個宇宙中的驚天之謎。
1974年，就在奧斯特里克和皮布爾斯發(fā)表第二篇論文的幾個月前，蘇聯(lián)愛沙尼亞（1991年蘇聯(lián)解體后成為獨立國家）天文臺的三位天文學(xué)家發(fā)表了一份內(nèi)容非常相似的論文。這兩篇互相不知情的論文都綜述了天文界測量、估算星系質(zhì)量的各種方法，指出其中可能低估質(zhì)量的因素，以及那些表明宇宙質(zhì)量被嚴(yán)重低估的“越來越充分”的證據(jù)。他們還不約而同地提出一個新的論據(jù)。
1970年代初，天文界已經(jīng)傾向于同意宇宙在幾何上是平坦的（雖然那時狄克尚未系統(tǒng)地提出這個平坦性是大爆炸理論的一個重大缺陷，從而催生古斯的暴脹理論）。但蘇聯(lián)的那三位作者和美國的奧斯特里克和皮布爾斯都發(fā)現(xiàn)，如果具體計算當(dāng)時所知的宇宙質(zhì)量密度與廣義相對論的臨界密度之比（Ω），會得出大約為0.2左右的數(shù)值。這與平坦宇宙所要求的Ω等于1相差甚遠(yuǎn)。而如果假設(shè)宇宙的質(zhì)量被嚴(yán)重低估，其未知的質(zhì)量比已知的還要多十倍的話，那么Ω便會更接近于1。
他們都沒有使用茲威基的暗物質(zhì)一詞來描述這部分未知的質(zhì)量。其實，宇宙中可能存在我們不知道的物體在天文學(xué)歷史上司空見慣，只不過是把它們稱作“迷失物質(zhì)”（missing matter）。例如在19世紀(jì)，當(dāng)人們觀察到天王星的運行軌道與預(yù)期有差異時，并沒有立刻質(zhì)疑牛頓的理論，而是推測可能存在另一顆尚未被發(fā)現(xiàn)的行星的引力干擾。后來發(fā)現(xiàn)了海王星——果然在理論預(yù)測的位置，凸顯了經(jīng)典力學(xué)的輝煌。后來，水星的近日點進(jìn)動也被發(fā)現(xiàn)異常，人們同樣把它歸咎為一顆未發(fā)現(xiàn)的行星，并預(yù)先命名為“祝融星”（Vulcan）。但是，這一次是牛頓經(jīng)典力學(xué)有差錯，需要愛因斯坦的廣義相對論才能完滿地解釋，而那個迷失的“祝融星”在太陽系中并不存在，也不需要。
時至1974年，幾位天文學(xué)家指出宇宙中還有更多的迷失物質(zhì)，他們的論點之所以驚人，是因為迷失的成分實在太大。
奧斯特里克和皮布爾斯的論文在論及仙女星系的旋轉(zhuǎn)速度問題時只引用了射電信號測量的數(shù)據(jù)，他們不僅不知道巴布科克的早期數(shù)據(jù)，更不可能引用魯賓和福特的后期結(jié)果。
即便如此，當(dāng)魯賓讀到論文的第一句時便忍不住擊節(jié)叫好。她聽從了閔可夫斯基的忠告，在1970年就與福特一起發(fā)表了她們測量的仙女星云初步數(shù)據(jù)。不料，這個結(jié)果卻未能引起預(yù)期的反響，甚至沒能引起奧斯特里克和皮布爾斯的注意。但閔可夫斯基對兩位年輕人在論文中直言不諱地道出宇宙中存在著大量未知質(zhì)量的勇氣大為贊賞。
魯賓這時已經(jīng)把視線再度轉(zhuǎn)向大尺度的星系團(tuán)。她和福特拍攝了大量星系的光譜照片，發(fā)現(xiàn)了一個奇異的現(xiàn)象：一些星系團(tuán)在集體向某一個特定的方位漂移——似乎那里有更集中的“迷失質(zhì)量”在吸引著它們。與以往不同，這個被稱為“魯賓-福特效應(yīng)”（Rubin–Ford effect）的現(xiàn)象在天文界引起軒然大波，爭論莫衷一是。
在跟蹤這些星系團(tuán)的同時，魯賓和福特也積累了大量星系內(nèi)部的光譜。1970年代進(jìn)入尾聲時，他們相繼發(fā)表了20多個星系的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出與仙女星系一致的曲線：在遠(yuǎn)離星系中心的外緣，星系的旋轉(zhuǎn)速度沒有下降。
隨著魯賓和福特越來越多數(shù)據(jù)的發(fā)表，暗物質(zhì)這個被遺棄的名稱開始重新浮出水面。及至1970年代末，天文學(xué)界已經(jīng)普遍接受了這一新的現(xiàn)實：宇宙中有未知的物質(zhì)存在，它們遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于我們所能看到的部分。
伽利略在17世紀(jì)初從自制的望遠(yuǎn)鏡中看到人類肉眼從未見識到的、不可思議之多的繁星，為人類打開了新的視野：宇宙比當(dāng)時所想象的更為宏大、更為深遠(yuǎn)。發(fā)光的星體比當(dāng)時所知的更為豐富、更為璀璨。
在20世紀(jì)，天文學(xué)家的宇宙觀在毫無思想準(zhǔn)備之下經(jīng)歷了一場相似的震撼。在這個明亮的宇宙之中，還存在著一個未知的、看不見摸不著的、由暗物質(zhì)組成的神秘世界。在一代又一代人孜孜不倦地完善越來越強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，尋覓、收集宇宙深處、更深處那越來越微弱的星光時，他們沒有意識到宇宙的奧秘也許并不盡在那光影之中，而更可能在其黑暗的另一面。
來源：程鶚 的博客
