Vera Rubin：“Science progresses best when observations force us to alter our preconceptions.” （圖片來源：Linda Davidson，@ 2010）

“名譽(yù)是短暫的，‘我’的數(shù)量比我的名字更重要。如果天文學(xué)界多年后仍在引用我的數(shù)據(jù)，才是對我最大的恭維。”

——薇拉·魯賓

【薇拉·魯賓的發(fā)現(xiàn)】

或許你沒聽過薇拉·魯賓（Vera Rubin），但我相信你肯定聽過什么是暗物質(zhì)。正是薇拉·魯賓找到了暗物質(zhì)存在的確鑿證據(jù)。

Fritz Zwicky和他的論文。

其實(shí)早在1930年代的時(shí)候，弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）就在研究后發(fā)星系團(tuán)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，在星系團(tuán)內(nèi)的星系運(yùn)動(dòng)速度異常的快。他通過維里定理（Virial theorem）推算出星系團(tuán)的質(zhì)光比（mass to light ratio）大約為500，換句話說后發(fā)星系團(tuán)應(yīng)該存在著大量看不見的物質(zhì)。雖然他的研究并沒有引起很大的注意，但那是第一次讓我們意識到宇宙可能存在著黑暗的一面。

薇拉·魯賓和她的論文。

直到1960年代末，薇拉·魯賓通過光譜分析測量了仙女座星系中心和邊緣的恒星運(yùn)行速度。根據(jù)牛頓的引力定律，當(dāng)恒星離銀河系中心越來越遠(yuǎn)的時(shí)候，它的速度也會變得越來越慢，比如在太陽系（下圖左）中，冥王星需要248個(gè)地球年才能繞太陽一圈，而水星（比冥王星大一點(diǎn)）只需要88個(gè)地球日。然而，當(dāng)我們預(yù)期在星系的旋轉(zhuǎn)曲線中看到同樣的情況時(shí)，薇拉·魯賓對仙女座星系的測量結(jié)果震驚了所有人（下圖右）。

星系的旋轉(zhuǎn)曲線：左邊為太陽系，右邊為仙女座星系。

我們看到，當(dāng)恒星距離星系中心越來越遠(yuǎn)的時(shí)候，速度并沒有減少，而是保持均速。如果薇拉·魯賓的測量是正確的，星系中的可見物質(zhì)根本無法維系恒星，因此必須存在著大量我們看不見的物質(zhì)提供了額外的引力來源，否則星系早應(yīng)該分崩離析。

之后，薇拉·魯賓測量了更多的星系，發(fā)現(xiàn)這樣的現(xiàn)象并不只存在于仙女座星系，而是所有他們測量的螺旋星系。科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)星系中的氣體也跟恒星一樣，保持著相同的速度。薇拉·魯賓的發(fā)現(xiàn)得到了其它實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持。天文學(xué)家在星系團(tuán)、微波背景輻射等觀測中找到了更多暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

宇宙的成分：暗物質(zhì)約為26.8%，暗能量約為68.3%，而普通物質(zhì)只占4.9%（圖片來源：ESA/Planck）

【暗物質(zhì)是什么？】

雖然我們知道暗物質(zhì)的確存在，并且占據(jù)宇宙能量和質(zhì)量的26.8%，但是科學(xué)家從來沒有在實(shí)驗(yàn)中直接探測到它們。我們知道暗物質(zhì)不是什么，要比知道它是什么了解的更多。

暗物質(zhì)究竟是什么？（圖片來源：Sandbox Studio）

從天文學(xué)觀測中，我們可以得出如下結(jié)論：暗物質(zhì)不發(fā)光、穩(wěn)定、電中性和物質(zhì)的相互作用很弱。在和所有已知的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子進(jìn)行比對后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)沒有一種粒子符合暗物質(zhì)的特性，因此很可能是一種超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子?？茖W(xué)家提出了許多的模型，下面是一些最強(qiáng)有力的暗物質(zhì)粒子候選者：

• 弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）：WIMP被認(rèn)為是最有希望的暗物質(zhì)候選者，它的質(zhì)量非常大，而且它們之間只存在弱相互作用和引力。在早期宇宙中，暗物質(zhì)應(yīng)該充滿了整個(gè)宇宙，并且和它對應(yīng)的反粒子相互湮滅。根據(jù)理論計(jì)算，WIMP的剩余豐度與今天宇宙學(xué)觀測所得到的暗物質(zhì)密度一致，這被稱為WIMP奇跡。

• 軸子（Axion）：在1970年代，Helen Quinn和Roberto Peccei為了解決強(qiáng)Cp問題就提出了軸子的存在。與WIMP相反，軸子的質(zhì)量要比電子還輕大約100億倍。軸子場也出現(xiàn)在弦理論以及其它試圖擴(kuò)展基本物理定律的理論之中。（可查看《一個(gè)理論，同時(shí)解決物理學(xué)的五個(gè)大問題》。）

• 惰性中微子（Sterile neutrinos）：夸克、電子以及幾乎所有其它物質(zhì)粒子都同時(shí)存在左手性和右手性。但是現(xiàn)在已觀測到的三種不同的中微子都是左手性的。許多理論學(xué)家預(yù)言應(yīng)該存在還未發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量更大的右手性中微子，而且很少發(fā)生相互作用，這種粒子被稱為“惰性”中微子。惰性中微子與普通物質(zhì)只發(fā)生引力相互作用，科學(xué)家相信它也是暗物質(zhì)的候選者之一。

• 超中性子（Neutralino）：是一種由超對稱理論預(yù)言的假想粒子。超對稱理論假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)模型中所有的基本粒子都有與之對應(yīng)的超對稱粒子，這些粒子足以構(gòu)成暗物質(zhì)，但它們都極難探測到。其中最容易被觀測到的就是超中性子。如果能發(fā)現(xiàn)中性微子就可以解決兩個(gè)重大難題：告訴我們什么是暗物質(zhì)，以及證明超對稱理論的存在。

• 卡魯扎-克萊因暗物質(zhì)（Kaluza-Klein dark matter)：早在1920年代的時(shí)候，卡魯扎和克萊因發(fā)現(xiàn)，只要給空間多加一個(gè)維度，引力和電磁力就可以被統(tǒng)一了。而這個(gè)維度被卷曲的太小了，使得我們無法探測到在其中運(yùn)動(dòng)的粒子，這些粒子被稱為卡魯扎-克萊因暗物質(zhì)。如果能夠確認(rèn)它們的存在，也將是對弦理論強(qiáng)有力的支持。

許多天文觀測都指向了暗物質(zhì)的存在。（圖片來源：Sandbox Studio）

除了這些，物理學(xué)家還提出了非對稱暗物質(zhì)（Asymmetry dark matter）、強(qiáng)相互作用大質(zhì)量粒子（SIMP）、復(fù)合暗物質(zhì)（Composite dark matter）、鏡像世界中的暗物質(zhì)（Mirror World dark matter）等，每種粒子都有相應(yīng)的理論支持。但暗物質(zhì)究竟是由什么組成的，唯有靠實(shí)驗(yàn)才能告訴我們最后的答案。

【探測方法】

為了揭開暗物質(zhì)的真實(shí)面目，世界上有許多的大型實(shí)驗(yàn)都正在進(jìn)行著，這些實(shí)驗(yàn)包括地下和空間實(shí)驗(yàn)，以及在南極冰川雪地之中。探測暗物質(zhì)的方法分為三類。

探測暗物質(zhì)的三種方法：直接探測、間接探測和對撞機(jī)探測。（圖片來源： HAP/A.Chantelauze）

直接探測：尋找暗物質(zhì)粒子與原子核碰撞產(chǎn)生的信號。在宇宙中存在著大量的暗物質(zhì)，每秒鐘都可能有上億個(gè)暗物質(zhì)粒子穿過我們的身體，而我們卻毫無察覺?？茖W(xué)家希望這些暗物質(zhì)粒子能夠意外的撞上探測器中的原子核，從而發(fā)出可觀測的信號。為了避免受到其它信號的干擾（比如宇宙射線），這些探測器通常都深埋地底下。世界上有許多這樣的探測器，比如LUX和四川錦屏PandaX實(shí)驗(yàn)，它們的目標(biāo)是尋找WIMP的蹤跡。遺憾的是，今年給出的結(jié)果依然是零結(jié)果，唯一的結(jié)果就是給出了WIMP暗物質(zhì)和核子散射截面的限制。

間接探測：尋找暗物質(zhì)粒子湮滅的信號。理論上，暗物質(zhì)粒子湮滅后，會產(chǎn)生中微子、伽瑪射線或反物質(zhì)。如果科學(xué)家能夠在暗物質(zhì)密度高的區(qū)域（比如銀河系中心）探測到過量的伽瑪射線，或者來源不明的高能反物質(zhì)粒子，它們就有可能來源于暗物質(zhì)粒子間的湮滅，從而提供間接的證據(jù)。阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn)、費(fèi)米伽瑪射線衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)和中國悟空衛(wèi)星都是為了尋找暗物質(zhì)湮滅的信號。

對撞機(jī)探測：在對撞機(jī)機(jī)里進(jìn)行粒子碰撞實(shí)驗(yàn)，主動(dòng)創(chuàng)造暗物質(zhì)粒子。高能粒子對撞時(shí)將可能有很小的幾率產(chǎn)生一對暗物質(zhì)粒子。由于暗物質(zhì)粒子和普通物質(zhì)相互作用很弱，無法被周邊的探測器記錄到。因此，如果在某次對撞中有暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生，我們會發(fā)現(xiàn)有一部分能量不翼而飛。歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）一直在尋找著暗物質(zhì)，但是經(jīng)過升級后的LHC在今年收集更多數(shù)據(jù)后依然沒有看到任何疑似信號。

【挑戰(zhàn)與競爭】

雖然暗物質(zhì)在解釋宇宙中的許多現(xiàn)象都非常成功，但幾十年來，科學(xué)家對暗物質(zhì)的探測一無所獲。這使另一部分科學(xué)家感到興奮。因?yàn)樗麄冋J(rèn)為暗物質(zhì)根本不存在，而是現(xiàn)有的引力理論需要得到修正。

1981年，Moti Milgrom就提出了“修正牛頓動(dòng)力學(xué)（MOND）”。在這個(gè)模型中，一顆恒星的徑向加速度跟牛頓和廣義相對論預(yù)言的有一點(diǎn)點(diǎn)偏離。這個(gè)區(qū)別在太陽系內(nèi)幾乎可以被忽略，而在星系的尺度下，這個(gè)區(qū)別則會被擴(kuò)大。Milgrom發(fā)現(xiàn)，只要將加速度稍微改變一點(diǎn)點(diǎn)，就可以解釋星系的自轉(zhuǎn)曲線。

雖然MOND在解釋星系的自轉(zhuǎn)曲線方面很成功，但它無法解釋其它的效應(yīng)，比如大尺度的星系團(tuán)以及對撞星系的物質(zhì)分布。這也許是因?yàn)镸OND本身就不是一個(gè)完整的理論，它只是完整理論中的一部分，解釋了其中一個(gè)現(xiàn)象。的確，這樣的想法有很多追隨者，現(xiàn)在有很多人在研究MOND的擴(kuò)展理論來解釋這些觀測。這其中包括貝肯斯坦提出的張量-向量-標(biāo)量引力（TeVeS），莫菲特提出的修正引力（MoG）和其它，但沒有一個(gè)引力理論脫穎而出。

直到今年，暗物質(zhì)理論似乎遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，MOND則東山再起。不久前Stacy McGaugh帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)分析了153個(gè)不同類型的星系，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的宇宙規(guī)律，稱為“徑向加速度關(guān)系”。（詳見《新的宇宙自然規(guī)律，暗物質(zhì)遭遇挑戰(zhàn)》）他們的結(jié)果鞏固了MOND的地位。而不久后，暗物質(zhì)再次遭到攻擊，Margot Brouwer和她的同事通過星系的引力透鏡效應(yīng)驗(yàn)證了Verlinde的新的引力理論，而不需要暗物質(zhì)的存在（詳見《新的引力理論通過第一道檢驗(yàn)》）。但是，要把暗物質(zhì)打入死牢，新的引力理論則需要做的更多。

值得一提的是，薇拉·魯賓也是支持MOND的一員。她說道：“就我個(gè)人而言，我認(rèn)為在大尺度下牛頓的引力定律應(yīng)該得到修正，這比宇宙中充滿了未知的新粒子要更加有吸引力?！?nbsp;

薇拉·魯賓的觀測結(jié)果是非凡的，是她確鑿的告訴我們宇宙中要么存在大量的暗物質(zhì)，要么是引力理論需要得到修正，無論是哪一個(gè)都將產(chǎn)生革命性的影響?？上У氖牵恢睕]能獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。有一個(gè)簡單的原因或許是性別歧視，在歷史上只有兩位女性獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，一個(gè)是居里夫人（1903年），一個(gè)是瑪麗亞·格佩特-梅耶（1963年）。能夠想到的還有兩位應(yīng)該獲獎(jiǎng)的女性科學(xué)家是發(fā)現(xiàn)脈沖星的約瑟琳·貝爾·伯奈爾和驗(yàn)證了宇稱不守恒的吳健雄。雖然沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但她們都是無冕之王。

薇拉·魯賓的成就不僅限于學(xué)術(shù)上，更因?yàn)樗秊榕栽诳茖W(xué)社區(qū)爭取的權(quán)益。薇拉·魯賓是知名女子大學(xué)瓦薩爾學(xué)院1948年度唯一一位主修天文學(xué)的畢業(yè)生。當(dāng)她想申請普林斯頓大學(xué)天文學(xué)研究生學(xué)位時(shí)，被無情地告知天文學(xué)學(xué)科不收女學(xué)生（這項(xiàng)政策到1975年才被廢除）。因此她更加能夠體會女性在科學(xué)中需要得到更多的機(jī)會，在她的職業(yè)生涯中，她總是鼓勵(lì)并幫助年輕女性加入天文學(xué)領(lǐng)域并研究宇宙。在1981年的時(shí)候，她成為了第二位被美國國家科學(xué)院承認(rèn)的女性天文學(xué)家，并獲得一枚國家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

2016年12月25日，薇拉·魯賓永遠(yuǎn)的離開我們。但是我相信正如她所期待的，她的數(shù)據(jù)將會一直被引用，而我們也將永遠(yuǎn)記住她的名字。