暗物质 暗能量
2001年6月25日至29日
研讨会
物质究竟在哪里？
2001年6月25日至29日，马赛举办了一场国际研讨会，吸引了两百名参与者，其中一百四十人为报告人，主题为“物质究竟在哪里？”。研讨会还附有一个副标题：
利用新一代大尺度巡天技术追踪明亮物质与暗物质
翻译：
利用新一代大尺度观测手段，绘制可见物质与暗物质的分布图。
这些词汇具有重要意义。它们一开始就将本次研讨会置于一个特定的理论框架之内。该框架预设宇宙是统一的，包含两种成分：一种是我们观测手段可以探测到的（在可见光、紫外光、红外光等电磁波段进行观测），另一种目前尚无法通过此类手段探测，被统称为“暗物质”（英文：Dark Matter）。那么，我们如何观测、如何绘制暗物质的分布图呢？一方面，通过引力透镜效应——通常这些效应过于显著，无法仅用可见物质（无论是单个星系还是星系团）的存在来解释；另一方面，则基于观测天体的运动学参数。
在引力透镜效应被明确识别之前，弗里茨·茨威基（Fritz Zwicky）等人已通过分析星系旋转曲线或测量星系团中星系的运动速度，推断出仅靠光学探测到的物质无法维持这些系统的稳定。所谓“旋转曲线”，指的是通过多普勒-菲佐效应测量星系中星际气体在整体引力场中的轨道运动。显然，这些气体在边缘区域旋转速度过快（表现出典型的“平坦平台”特征）。星系团被类比为“气体团块”，其中的星系相当于“分子”。天文学家所称的星系“本动速度”，相当于气体分子的热运动速度，这些速度在各个方向上随机分布。若保持这种气体类比，将“热运动速度”与密度结合起来，便得到所谓的“压力”（即单位体积内动能密度的度量）。星际气体云之所以不会扩散，是因为引力与试图使其扩散的压力达到平衡。若将一个包含上千个星系的星系团视为一种气体团块，那么基于星系运动速度和已探测质量计算出的扩散压力，明显超过了引力所能平衡的范围。换言之，若已知星系团的质量，可计算出其逃逸速度。正如茨威基所指出的，星系的个体速度远超其所属星系团的逃逸速度。若没有额外的引力作用，这些星系早已脱离星系团很久了。星系内部的恒星也面临同样的问题。因此，这一现象绝非虚构，关键在于如何解释它。
目前天文学界对此现象的共识答案是“暗物质”，尽管至今无人能说明这种“暗物质”的具体本质。但所有人都毫不怀疑，这些观测到的现象只能源于一种尚未被观测到的、具有正质量的成分，它安静地存在于我们唯一的宇宙中。在这一背景下，对“不可见物质”的测绘工作已经展开。最初，人们仅简单地断言：“某个星系团中必须存在质量M，否则该星系团会解体，或等价地，才能解释其所产生的强烈引力透镜效应（多重像、背景星系被扭曲，甚至拉伸成弧状）。” 后来，像马赛天体物理实验室的阿尔伯特·博斯马（Albert Bosma）这样的天体物理学家，通过经验方法在星系周围加入未明确性质的“暗物质晕”，以“拟合旋转曲线”——这一英文术语指通过经验方法使理论曲线与观测数据相吻合。如今，已有相当数量的研究人员全职致力于计算这些不可见暗物质晕中的物质分布。这被称为“零阶理论”。这类工作并不需要特殊的专业能力，纯粹是技术性操作。从事这些工作的研究者并不试图揭示其所测绘的“暗物质”的本质，更遑论其在星系中出现的形成过程。既然我们既不了解其本质，也不了解其起源，自然无法建立“星系动力学”。在本次研讨会上，我曾听到一位美国学者总结了试图描述星系形成过程的模型（基于“冷暗物质”，即Cold Dark Matter, CDM）。所有这些模型显然仅依赖牛顿定律（外加一台巨型计算机进行海量运算），但说服力有限：无论初始条件如何，模拟生成的“原星系”所具有的角动量都远远不足。因此，这些“新理论家”（牛顿定律+巨型计算机）提出的一个核心问题便是：“星系的角动量从何而来？” 这显然仍停留在“零阶理论”的层面，无论是测绘还是模拟尝试。
自1999年以来，像扬尼克·梅利耶（Yannick Mellier）和福尔特（Fort）这样的天体物理学家，以及随后全球约六支研究团队，历时六年，完成了大规模项目的成果。如果宇宙中存在暗物质，特别是在星系团中，它将产生引力透镜效应。极端情况下，这种效应可形成近乎万花筒般的图像，如哈勃望远镜所展示的那样：位于星系团后方的物体被撕裂成多个图像，有时甚至形成一个或多个引力弧。因此，当暗物质的集中程度较弱时，它仅会在星系图像中引起轻微畸变，使图像呈现出额外的椭圆度，这种光学效应叠加在星系真实的椭圆度之上。梅利耶、福尔特及其后续跟进团队开发了一种图像处理方法，计算机可检测图像中局部的各向异性（基于假设：在没有引力透镜效应的情况下，星系椭圆图像的长轴应呈随机分布……）