维拉·鲁宾博士在螺旋星系中看到的东西永远改变了物理学

一旦被发现，就没有回头路了。

大型螺旋星系 NGC 1232。

图片来源：ESO/IDA/丹麦 1.5 m/R.Gendler 和 A. Hornstrup。

如果您对宇宙的运作方式有一点兴趣，您可能已经读过物理学家提出的一种名为“暗物质”的神秘物质。

暗物质是不可见的物质，不发射、反射或吸收光，仅通过重力与正常物质相互作用。我们从未直接探测到它，但物理学家对其存在非常有信心，并相信在可观测的宇宙中，它的含量大约是构成恒星、行星、尘埃和我们所享受的其他一切的常规物质的五倍（例如馅饼）。

您可能想知道，如果我们无法直接检测到这种看不见的物质，物理学家如何知道那里一定存在这种物质。答案可以追溯到 Fritz Zwicky 在 20 世纪 30 年代的工作，以及 Vera Rubin 和 Kent Ford 在 1970 年代的观察。

1933 年，瑞士天文学家 Fritz Zwicky 研究了后发星系团——一个直径超过 2000 万光年的大型星系团，包含数千个星系——并发现了一些非常奇怪的东西。考虑到星系和星团内的可见质量，星团内的星系以如此高的速度移动，以至于它们应该相互远离。他假设该区域必须含有大量的“Dunkle Materie”（暗物质）才能保持星团稳定。 

尽管令人费解，但这项研究并没有太快地改变宇宙学。但类似的结果来自于观察其他星团，以及星系本身内的恒星。

一篇关于该主题的论文解释道：“通过使用牛顿万有引力定律和离心力，人们可以计算出一个质量围绕另一个质量做圆周运动的旋转速度，作为到旋转中心距离的函数。” “通过这些简单的计算表明，当距离增加时，旋转速度会降低。”

当我们观察我们自己的太阳系时，这是有效的。物体距离旋转中心（我们的太阳）越远，其绕中心旋转的速度就越慢。 

但是，当维拉·鲁宾和肯特·福特绘制螺旋星系内恒星的速度时——通过观察恒星靠近和远离我们时光波长的变化——他们发现了与兹威基相同的奇怪现象。由于螺旋星系的中心质量最大（可见），因此他们预计靠近星系中心的恒星会比星系边缘的恒星旋转得更快。如果星系边缘的恒星以与中心相同的高速旋转——并且可见质量就是它们内部的全部——你会期望这些恒星脱离星系，没有足够的引力将它们保留在星系内。 

然而这正是他们的发现。位于人口稀疏的螺旋星系边缘的恒星与恒星向银河系中心移动的速度一样快。通过研究 60 多个星系，他们发现了相同的结果，鲁宾得出结论，为了解释这些运动，星系的质量必须是可见质量的 10 倍左右。 

我们对星系研究得越多，我们就越发现它们的可见质量与我们预期的恒星移动速度（考虑到它们的可见质量）之间存在差异。现在人们普遍认为宇宙中含有“暗物质”，其质量远远超过我们所看到的可见物质——尽管关于暗物质到底是什么的争论仍在继续，而且探测仍然遥不可及。 

暗物质的替代方案确实存在（例如 MOND，它有点武断地假设引力在远距离处会变弱），但任何关于宇宙动力学的理论现在都必须在其中解释为什么星系外边缘的恒星旋转速度与他们这样做了，但仍然受到它的约束。

“我们凝视了一个新世界，”鲁宾在谈到这一改变物理学的观察时写道，“并且发现它比我们想象的更神秘、更复杂。宇宙的更多奥秘仍然隐藏着。他们的发现等待着未来富有冒险精神的科学家们。我喜欢这样。 ”