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物理学 1933

河外星云的红移

弗里茨·兹威基

星系团里的星系跑得太快,单靠恒星根本拉不住——大部分质量都看不见。

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In depth · the introduction

一个星系团转得飞快,眼看就要四散开来——我们看得见的星系,其引力远不足以把它兜住,可它偏偏没散。

核心想法

1933 年,弗里茨·兹威基用两种全然不同的方法,去称量一群星系。他先把所有星系的光加起来,估出它们含有多少物质。接着他观察这些星系在星系团里乱窜得有多快,再用引力反推:要拦住它们、不让它们甩进太空,需要多少质量。

两个答案本该相符。可引力给出的那个,却大了数百倍。某种庞大而隐形的东西,正在补上那份失踪的拉力。兹威基称它为 dunkle Materie——暗物质。

它是如何诞生的

兹威基是加州理工一位才华横溢、却脾气火爆的瑞士裔美国物理学家,既以点子出名,也以争吵出名。研究后发座星系团——一座庞大的星系之城——时,他注意到星系的速度散得极开,彼此相差约一千公里/秒。

一群松散的东西,跑得那么快,本该早就像揭了盖的一罐蚊子那样蒸发掉。要让它留存,所需的引力,远超可见恒星所能提供。兹威基的结论领先时代数十年,天文学界大多耸耸肩。直到 1970 年代,薇拉·鲁宾测出旋涡星系边缘的恒星绕得快得离谱,同一份隐形质量才再也无法被无视。

它为何重要

兹威基无意间撞见了一个事实:我们看得见的、发光的恒星与星系,只是宇宙构成中的少数。大部分物质,是某种既不发光、也不挡光的未知之物——我们只能凭它的引力察觉它。从星系如何形成,到整个宇宙的形状,全都仰赖于它;而九十年过去,我们仍不知道它究竟是什么。这是整个科学中最大的未解之谜之一。

一个可以想象的画面

想象你看着一些枯叶,在看似静止的空气里打着旋。叶子飞得那么快,本该被吹散——可它们一圈圈地兜着,仿佛被困在一阵看不见的旋风里。你看不见风,却能从叶子的动法推出它。兹威基读那些星系,正是同一个道理:它们的速度,泄露了一座庞大的隐形质量——那阵你看不见的风。

可交互的维里质量小工具:一群星系组成的圆盘,速度箭头随速度弥散滑块 σ 增大而变长,旁边两根柱子对比恒星质量与高得多的维里(总)质量 M = 5σ²R/G;专家面板读出 σ、半径 R、以太阳质量计的维里质量、质量比值与暗物质占比。

它的位置

兹威基的星系团,和薇拉·鲁宾旋转的星系,是望向同一份暗物质的两扇窗。它与本馆中其他几大宇宙谜题并立——哈勃膨胀的宇宙,其星系正是暗物质帮着聚拢起来的;还有 1998 年发现、驱动膨胀越来越快的暗能量。寻常物质、暗物质、暗能量,共同构成宇宙的全部清单——而我们读懂的,只是最薄的那一片。

The original document
Original source text
Fritz Zwicky · Helvetica Physica Acta 6 (1933): 110–127 · "Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln"
The puzzle in the data
Zwicky examines the radial velocities of the nebulae in the Coma cluster, inferred from their redshifts. They scatter enormously about the cluster's mean: the line-of-sight velocities differ from one another by of order a thousand kilometres per second.
Weighing the cluster
If the cluster is a bound, settled system, the virial theorem fixes its mass: the average kinetic energy of the galaxies must balance their mutual gravitational binding. Putting the observed velocity spread and the cluster's size into that balance yields a total mass — and the number comes out far larger than the mass one would estimate by simply counting the light of all the galaxies.
To produce the observed spread of ~1000 km/s, Zwicky finds, the average density of the Coma system would have to be at least some four hundred times greater than the density inferred from its luminous matter.
The conclusion
Falls sich dies bewahrheiten sollte, würde sich also das überraschende Resultat ergeben, dass dunkle Materie in sehr viel grösserer Dichte vorhanden ist als leuchtende Materie.
(In translation: if this should be confirmed, we would arrive at the surprising result that dark matter is present in far greater density than luminous matter.) — the first time a large mass discrepancy in a galaxy cluster is named as "dunkle Materie."
Norman Bridge Laboratory of Physics, California Institute of Technology · 1933