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暗物质的发现

虽然牛顿引力理论已经建立近四百年，由于数学上的困难，我们对物质薄圆盘状分布的引力场的特性仍然没有很好的了解.目前天体力学中常常用质量球对称分布代替盘状分布，来近似地估计漩涡星系的旋转曲线.按牛顿引力理论，当质量分布具有球对称性，且物体在球外绕旋转时，为了保持系统稳定，物体的运动速度与物体到球心的距离之间满足以下关系：

或                                   （1）

对于质量普通星系，假设物质均匀分布在半径的球内，按（1）式计算得到旋转曲线.在球半径以内曲线上升，在球半径以外曲线下降.然而对漩涡星系中星体光谱多普勒频移的大量观察结果发现，在相当大的范围内星体运动速度与其离星系中心的距离无关，大致呈现常数的关系.

为了解释漩涡星系中星体的运动速度与距离关系，物理学家提出两种方法来解决此问题.其中之一是提出对牛顿引力理论的修正，认为在宇宙尺度上牛顿引力理论应当做修改，就所谓的MOND理论.其二是提出漩涡星系中存在大量暗物质的假设.暗物质包括两种，一种是重子暗物质，如星际稀薄气体、不发光的行星和已经死亡冷却了的恒星等等.另一种是非重子暗物质，除了不参与电磁相互作用和不发光外，它们的具体特性不详.根据宇宙学理论的估计，宇宙中非重子暗物质大约是正常重子物质的6倍以上.重子暗物质的存在是一个基本事实，根据天文观察，星系中不发光重子暗物质的量是发光重子物质的倍.而非重子暗物质至今仅是一种假设，天体物理学家努力了30多年，至今一直没有找到非重子暗物质.宇宙中是否存在如此多的非重子暗物质已经成为现代天体物理学和宇宙学的最大谜团之一.

附录：1999年美国宇航局“火星气候探测者”号发现它距离火星比科学家预测的近了60英里左右.这不是因为时空关系出现了问题，而是因为在“火星气候探测者”号开发中出现了文化冲突.美宇航局科学家在计算中采用的是公制单位(如米和厘米等)，但提供导航软件的洛克希德-马丁公司的工程师在研究中采用的却是英尺、英寸等英制单位.结果，由于运行轨道总不稳定，耗资8000万英镑建造的“火星气候探测者”号最终撞向火星表面报销.哈勃太空望远镜最新的数据表明，距地球4500万光年的星系NGC1052-DF4正在解体的过程中，而原因是它突然失去了大部分维系自身完整所需的引力.2018年科学家发现一个距离我们不远的星系竟然几乎不含暗物质.暗物质是维系宇宙结构的重要引力源.只靠可见物质，星系的引力不足以维持自身存在.而一年后，又有一个不含暗物质的星系被发现，这个星系就是NGC1052-DF4.最近天文学家利用哈勃太空望远镜发现，NGC1035星系可能是导致NGC1052-DF4失去暗物质进而解体的罪魁祸首.NGC1035距离NGC1052-DF4不远，且质量巨大，其产生的引力已把NGC1052-DF4原本拥有的暗物质悉数抽离，导致NGC1052-DF4内的恒星已经没有办法再聚集在一起.这些恒星面临两个命运：要么被“凶手”NGC1035吞并，要么飞散在星系之间的空旷太空里，成为流浪恒星.天文学家目前还没有发现原来在NGC1052-DF4体内的暗物质现在在哪里.这是因为定位暗物质本身就非常困难.天文学家只能通过观察极端暗弱的现象，来发现暗物质作用在普通物质身上的效应，进而确定暗物质可能在哪里.而这要求观测设备有极高的分辨率，能够看到一般望远镜看不到的细节.天文学家观察了星系中球状星团的分布特点.球状星团形成于星系恒星爆发式产生的时期，它们的规模和亮度使之成为宿主星系特点的理想追踪器.球状星团的空间分布特点，能够在很大程度上反应星系所处的状态.而NGC1052-DF4内球状星团的排列特点表明，它们正在被某种力量抽离星系.天文学家同时还发现NGC1052-DF4有“潮汐尾”，表明物质确实正在离开这个星系.