全球畅销15年的《星空黑洞宇宙学》，4位天文学家带你探索宇宙

图中数量较多的黄色和白色天体均为单个的星系，但它们只占星系团总质量的一小部分，星系团更多的质量包含在炽热的气体中，这些气体发射出的X射线在这张图上用红色表示。但是星系团的大部分质量似乎是由完全看不见的暗物质组成的，图中蓝色区域表示暗物质所在的位置，暗物质的位置是根据对其引力效应进行观测得到的。

回想一下，牛顿万有引力定律决定了天体之间相互环绕的速度，由此我们可以测量轨道系统的质量。就银河系而言，我们可以利用太阳的轨道速度以及它与银河系中心的距离来测定太阳轨道内的质量。同样，我们可以利用其他恒星或气体云的轨道运动来测定该恒星或气体云轨道内星系的质量。由于星际尘埃遮挡了我们的视线，我们无法观测到银河系圆盘中的大部分恒星，因此我们对银河系运动的测量大多是基于对氢原子气体云的观测，这些气体云发射的射电波可以穿透星际尘埃。

太阳在距离银河系中心2.7万光年的地方以220千米/秒的速度绕银河系运行。根据轨道测量的数据，我们确定银河系在太阳轨道内那部分的质量约为2×1041 千克，相当于太阳质量的1000亿倍。

太阳绕银河系运行示意图

为了进一步了解暗物质在宇宙中的分布，天文学家除在对单个星系研究之外，也对星系团中的暗物质进行观察。观测表明，星系团中暗物质的总比例甚至比单个星系中暗物质所占比例还要大。星系团中暗物质存在的证据源于测量星系团质量的3种不同的方法：利用绕星系团中心运行的星系的速度、测量星系团中星系之间热气体的温度、观测星系团如何像引力透镜一样使光线弯曲。

第一种方法类似于我们已讨论过的测量单个星系运行速度的方法。我们通过光谱线的多普勒频移测量星系在星系团内绕轨道运行的速度。然后，我们将这些数据与星系距星系团中心的距离结合起来，计算出星系团所包含的质量。

我们可以通过 X 射线光谱测量这种气体的温度，并通过气体的温度了解暗物质的情况，因为暗物质是否存在取决于星系团的总质量。大多数星系团中的气体几乎处于引力平衡状态，也就是说，向外的气体压力与引力向内的拉力相平衡。

在这种平衡状态下，气体粒子的平均动能主要取决于引力的强度，因此也取决于星团内的质量。因为气体的温度反映了气体粒子的平均动能，因此通过气体的温度可知气体粒子的平均速度，然后我们可以利用气体粒子的平均速度来确定星系团的总质量。运用该方法得到的质量测量结果与通过研究星系团中星系的轨道运动所得到的结果一致。

我们之所以看到了多个蓝色星系的图像，是因为来自更遥远星系的光子并不沿着直线路径到达地球。相反，黄色星系团的引力使光子的路径弯曲，从而使来自蓝色星系的光从几个略微不同的方向到达地球。每条路径都会产生一个单独的、扭曲的蓝色星系图像。

星系受引力透镜影响产生多个图像的情况很罕见。只有当遥远的星系位于充当引力透镜的星系团的正后方时，星系才会出现多个图像。然而，星系受引力透镜影响产生单一扭曲图像的情况却相当普遍。

尽管目前我们对暗物质还知之甚少，但天文学家已提出了强有力的证据来证明暗物质的存在，而所有证据都依赖于我们对引力的理解。首先，对于单个星系来说，暗物质存在的证据主要是基于牛顿运动定律和万有引力定律来计算恒星和气体云的轨道速度。其次，我们运用同样的定律来证明星系团中暗物质的存在。此外，根据爱因斯坦的广义相对论所预测的引力透镜也可以作为额外的证据。但也正是因为我们尚无法直接对暗物质进行观测，那么对于我们所讨论的结果，是否还可能有完全不同的解释呢？

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