许多科学人士认为宇宙不仅是由卡尔·萨根所说的“数十亿亿”的星系，而是大量的隐形物质，被称为暗物质。这种奇怪的物质被认为是一种新的亚原子粒子，它不通过电磁相互作用，也没有强核力和弱核力。暗物质在宇宙中的分布也比普通原子的五倍还要多。
图片版权：Valerio Pardi/Shutterstock
然而现在情况是暗物质的存在还没有得到直接的证实。暗物质仍然是一个假设，尽管它很受支持。任何科学理论都必须作出预测，如果它是正确的，那么你所做的测量应该与预测一致。暗物质也是如此。例如：暗物质理论预言了星系旋转的速度。但是到目前为止，在低质量星系中心的详细暗物质分布的测量与这些预言并不一致有些许差异。
最近的计算改变了这一点，计算有助于解决塔利-费舍尔关系的难题，其中比较明显的还是普通星系的旋转速度的关系。在非常简单的术语中，科学家发现螺旋星系的质量越大（因此更明亮），自旋的速度就越快。
但是如果暗物质存在，星系的“大小”应该不仅由它的可见物质（普通物质）决定，还取决于它所包含的暗物质。应有一方程式来描述暗物质数量的缺失，塔利-费舍尔关系也不应该存在。然而到现在它确实如此，很难想像将这种关系与现有的暗物质理论相协调。
暗物质的起源
第一个迹象，有可能是一个类似暗物质需要回到1932年。荷兰天文学家Jan Oort测量银河系中星星的轨道速度时发现它们移动太快，不能被观察到的星系的质量所解释。
维拉鲁宾和肯特福特发现星系边缘的恒星，如仙女座星系（如下图所示），旅行速度超过预期。暗物质可以帮助解释这些星系旋转差异。
图片版权：NASA/Swift/Stefan Immler (GSFC) and Erin Grand (UMCP)
然而寻找暗物质正式开始近半个世纪之后，在1970年代天文学家 维拉·鲁宾 和仪器制造商的肯特福特测量邻近星系的旋转速度的函数星系的恒星的距离中心。 他们比较标准的测量与预测牛顿引力理论
他们的母星系恒星的轨道近圆形，路径和重力是那些轨道束缚天体的力量。牛顿方程的预测，让天体在一个圆形路径移动力，F（圆形）应等于力在星的重力，F（重力），不然天体会飞到太空中或落在银河系的中心。
靠近星系中心，鲁宾和福特发现，F（圆形）大致等于F（重力），如预期的那样。但远离星系的中心，方程式的两边并不相等。虽然星系和星系的细节各不相同，但他们的观察基本上是普遍的。
如此戏剧性的差异需要解释，在星系中心附近，鲁宾和福特的测量意味着理论是有效的，而在较大的轨道距离上的差异意味着某种东西正在发挥着某种作用，现有的理论无法解释。他们的研究表明，要么我们不理解惯性是如何工作的（例如F（圆形）），要么我们不理解重力是如何工作的（例如F（重力））。第三种可能性是等号是错误的，这意味着方程还没有包含其他的力或效应，这也是唯一的可能。
图片版权：Virgo Consortium/Alexandre Amblard/ESA
图注：当宇宙大约30亿年时，暗物质的分布从星系形成的数值模拟中获得。左面板显示暗物质颗粒的连续分布，而右侧面板突出了用于形成星爆星系的暗物质光环，其最小暗物质光晕质量为太阳的三千亿倍。
解释差异
在鲁宾和福特的研究发表40年之后，科学家已经测试了许多理论来解释他们发现银河系旋转的差异。物理学家米尔格提出了一个修正的惯性称之为“修改牛顿动力学”。他假定：在其最初的形式非常低的加速度下，牛顿的方程F＝ma 便失效了。
其他物理学家提出修改重力定律。爱因斯坦的广义相对论在这里并没有多大用处，因为这个领域，爱因斯坦和牛顿的预言基本上是相同的。而量子重力理论，试图用亚原子粒子来描述重力，不能解释同样的原因。然而有引力理论对与牛顿重力不同的银河系或银河系外尺度进行预测。
宇宙的大部分是由我们看不到的物质所构成的。图片版权：agsandrew / Shutterstock.com
然后有人预测，存在新的自然基本力。这些想法都聚集在名为“第五力”意味着除了引力、电磁力和强、弱核力还有新的力。最后还有暗物质理论：一种根本不与光（电磁辐射）相互作用的物质，却在宇宙中”施加“引力或表现出引力的特性。
如果星系旋转测量是我们所拥有的唯一数据，可能难以在这些不同的理论之间进行选择。毕竟有可能调整每个理论来解释星系旋转问题。但现在有许多不同现象的观察可以帮助确定最合理的理论。
其一是星系团内星系的速度。星系移动得太快，星系团无法保持在一起。另一个观测是来自遥远星系的光。对这些非常遥远的古代星系的观测表明，它们的光经过了附近星系团的引力场而扭曲了。也有对宇宙微波背景辐射非均匀性研究。所有这些测量（还有更多）也必须用或新何新的理论来解释银河系自转速度。
暗物质的未解之谜
暗物理理论在预测这些测量中已经做了很多合理的工作，这就是为什么它在科学界受到重视。但暗物质仍然是一个未经证实的模型。迄今存在的所有证据是间接的。如果暗物质存在，我们应该能够直接观察暗物质通过地球的相互作用，我们可能能够在大粒子加速器（如大型强子对撞机）中产生暗物质。然而这两种方法都没有成功。
大型强子对撞机的复合图像由3D艺术家创建。光束管表示为透明管，反向旋转质子束以红色和蓝色表示。图片版权：Daniel Dominguez / CERN
此外，暗物质应该与所有人预测一致，而不仅仅是许多天文观测。尽管暗物质是迄今为止最成功的模型，但它并不完全成功。暗物质模型的预测，像银河系这样的大星系周围的矮卫星星系比实际探测的要多。尽管发现了更多的矮星系，但与暗物质的预测相比还是太少了。
另一个大的，开放的问题是如何影响星系中的的暗物质及转速的亮度之间的关系。这种关系是第一次在1977年被发现，叫做塔利-费希尔关系，多次表明星系的可见物质与转速密切相关。
暗物质的艰难挑战
塔利-费希尔（Tully Fisher）关系是暗物质模型的一个艰难的挑战。一个星系的旋转是由它所包含的总物质的量。如果暗物质真的存在，那么物质的总量是普通物质和暗物质的总和。
但是现有的暗物质理论预言任何随机星系都可能包含暗物质的较大或更小的部分。因此当测量可见质量时，可能会丢失总质量的一大块。可见质量应该是银河系总质量（因而是旋转速度）的一个很差的预测因子。星系的质量可能与可见（普通）质量相似，或者可能更大。（普通质量即指普通可见物质的质量）
因此没有理由认为可见的（普通物质）质量应该是一个好的星系的旋转速度的预测。然而它是。
事实上在今年发表的一篇论文中，暗物质的怀疑论者用来反驳各种星系的暗物质假说和一个修改版的惯性塔利-费希尔（Tully Fisher）关系的测量。
更适合的暗物质理论
然而在六月发布的一篇论文中，科学家们给出了暗物质模型的显著提升。不仅新作品再现了先前的预测暗物质模型的成功，它也再现了塔利-费希尔（Tully Fisher）关系。
新论文是一个“半分析”模型，这意味着它是分析方程和模拟的组合。它模拟了早期宇宙中暗物质的聚集，可能已经完成了星系形成，但也包括普通物质的相互作用，包括普通物质由于其引力拉动，星形成和加热而被称为另一个天体通过星光和超新星的气体。通过仔细调整参数，研究人员能够更好地匹配预测的塔利-费希尔（Tully Fisher）关系。计算的关键是预测的旋转速度包括了重子与暗物质比例的实际值。
新计算是验证暗物质模型的重要步骤，但是这不是最后的。任何成功的理论都应该同意所有测量。不同意意味着理论或数据是错误的，或至少是不完整的。预测和测量之间的差异仍然存在（例如大卫星周围的小型卫星星系数量），但是这篇新的论文使我们有信心在今后的工作将解决这些剩余的差异
暗物质仍然是宇宙结构的有力预测理论。目前它虽不完整，它需要通过发现实际的暗物质粒子进行验证。所以未来仍然很多有工作要做。（本文所表达并不一定反映学术期刊或出版商或论文的观点）
原作者：Don Lincoln
编译：光量子，审校：博科园
