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但当时没人相信:毕竟,“看不见”
不等于“存在”
。
12决定性证据:星系旋转曲线的“异常”
(1970年代)真正让暗物质从“猜想”
变成“科学事实”
的,是美国天文学家薇拉·鲁宾(verarub)的观测。
1970年代,她研究仙女座星系(31)的旋转曲线——即星系中恒星的旋转速度随距离中心的变化。
,!
按照牛顿引力,星系外围的恒星速度应该随距离增加而下降(就像太阳系中,冥王星的速度比地球慢);但鲁宾发现:仙女座星系外围的恒星速度没有下降,反而保持在约220公里秒的高速度——这说明,星系外围有大量“看不见的质量”
,用引力拉着这些恒星,不让它们飞出去!
鲁宾的发现震惊了天文学界:几乎所有星系,都有一个“暗物质晕”
(darkatterhalo)——包裹着可见星系的巨大暗物质球,质量是可见物质的10-100倍。
13本星系群的“暗物质确认”
:从卫星星系到引力透镜兹威基和鲁宾的理论,在本星系群中得到了直接验证:卫星星系的运动:小麦哲伦云(sc)绕银河系旋转,速度约170公里秒。
根据可见物质计算,银河系的引力只能拉住速度100公里秒的天体——但sc的速度更快,说明银河系的暗物质晕提供了额外的引力;引力透镜效应:仙女座星系(31)是一个“引力透镜”
,它会把背景星系的光线弯曲成弧形。
通过测量弧形的扭曲程度,科学家算出31周围的暗物质晕质量约为12x1012倍太阳质量——是可见物质的8倍;星系团的动力学:本星系群的总质量,通过卫星星系的轨道计算,约为15x1012倍太阳质量——其中暗物质占85(约1275x1012倍太阳质量),可见物质只占15(约225x1011倍太阳质量)。
二、本星系群的“暗物质证据链”
:三个关键观测暗物质看不见,但它的“引力痕迹”
无处不在。
在本星系群中,我们有三个直接证据,证明暗物质的存在:21银河系的“旋转曲线”
:暗物质晕的“签名”
银河系是我们最熟悉的星系,它的旋转曲线藏着暗物质的“密码”
:可见物质的贡献:银河系的可见物质(恒星、气体、尘埃)主要集中在核球和旋臂,质量约12x1012倍太阳质量;旋转速度的异常:银河系外围(距离银心10万光年处)的恒星速度约250公里秒——按照可见物质的引力,这个速度应该只有150公里秒;暗物质晕的“补足”
:要让外围恒星保持250公里秒的速度,银河系需要一个直径约100万光年的暗物质晕,质量约1x1012倍太阳质量——是可见物质的8倍。
这个暗物质晕不是“均匀的球”
,而是“密度梯度”
的:中心密度高(约10?2?克立方厘米),向外逐渐降低,延伸到银河系边缘之外。
22卫星星系的“轨道陷阱”
:暗物质的“引力笼子”
本星系群中的卫星星系(如小麦哲伦云、大麦哲伦云),是被银河系或仙女座的暗物质晕“困住”
的“囚徒”
:小麦哲伦云(sc):距离银河系约20万光年,质量约7x10?倍太阳质量。
它的轨道是“椭圆”
的,近日点约16万光年,远日点约22万光年。
如果没有银河系的暗物质晕,sc会因为速度太快(约170公里秒)而逃逸;大麦哲伦云(lc):距离银河系约16万光年,质量约1x101?倍太阳质量。
它的旋转速度更快(约270公里秒),但依然被银河系的暗物质晕“拉住”
——它的轨道正在慢慢缩小,未来可能会被银河系合并。
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