宇宙學的標準模型也就是我們熟知的大爆炸+暴漲理論，這個理論的提出不是一蹴而就的，而是經(jīng)過了多次的補充和修正！例如：暴漲理論就是多大爆炸的修正，而我們后來提出的暗物質(zhì)是對宇宙模型的補充。暗物質(zhì)自20世紀30年代首次提出到現(xiàn)在已有近80年的歷史了，但目前依據(jù)是宇宙學排行靠前的一大謎團！所以下面要說的就是小伙伴們比較關心的問題了：我們基于什么樣的證據(jù)這么確定暗物質(zhì)的存在呢？還有沒有暗物質(zhì)的替代理論呢？
我們今天就聊下暗物質(zhì)的歷史，以及相關的一些問題！
哈勃極深場的偉大發(fā)現(xiàn)
如果你對外層空間、宇宙以及整個宇宙的構成感興趣的話，我相信你一定聽說過暗物質(zhì)，或者是暗物質(zhì)問題。那么我們先來看看目前人類最偉大的望遠鏡觀測天空所得到的結果。
（并不是上圖這張照片）。這張照片是我們?nèi)庋劬涂梢钥吹教炜盏囊恍〔糠郑话宋覀冃窍抵袨閿?shù)不多的幾顆暗淡的恒星，貌似這片天空中除了這些恒星以外什么都沒有了，剩下的就是一片黑暗和虛無！
但事實真的是這樣嗎？我曾經(jīng)說過：哈勃望遠鏡做過最偉大也是最“大膽”的舉動就是指向了這樣一個區(qū)域：沒有明亮的恒星，星系，或已知的任何星團或星群，意思就是對著一塊我們認為什么都沒有的區(qū)域，并且經(jīng)過長時間的曝光，以收集更多微弱的光線。上圖標著“XDF”的小區(qū)域就是哈勃極深場的位置（觀測位置），這個區(qū)域非常非常小，只占了整個夜空區(qū)域的1/3200萬。就這樣一個看似空無一物的區(qū)域，你知道哈勃看到了什么？
上圖就是著名的哈勃極深場，就這幅圖中就有5500個獨特的星系，這意味著整個宇宙中至少有2000億個星系，這還只是我們目前所能看到的部分星系，如果我們看得更深更遠呢？這個答案顯而易見，星系的數(shù)量會不斷的刷新人們的認知。
我們通過什么方法判斷一個星系的質(zhì)量
現(xiàn)在我們想想無論是在我們附近的星系還是數(shù)百億光年之外的星系，是什么讓這些星系發(fā)光的。
這肯定是星系中的恒星為整個星系提供了光度！值得一提的是，在過去的150年左右的時間里，天文學和天體物理學最偉大的成就之一就是：我們已經(jīng)掌握了恒星的形成、發(fā)展、死亡和發(fā)光的原理。當我們測量整個星系發(fā)出的星光時，我們就可以準確地推斷出星系中存在何種類型的恒星，以及星系中恒星的總質(zhì)量。
但我們需要記住一點：我們從星系、星系群和星團中觀察到的光，告訴我們這個星系、星系群或星團中的恒星質(zhì)量是多少。但是通過測量星光推斷星系的質(zhì)量并不是我們唯一判斷的標準！
除了星光，我們還可以測量星系是如何運動的，旋轉(zhuǎn)速度有多快，星系的相對速度是多少等等。根據(jù)萬有引力定律，如果我們測量星系的運動速度，就可以推斷出星系里面有多少質(zhì)量和物質(zhì)！
觀測到的星系質(zhì)量和引力預言的質(zhì)量相差甚遠，以及暗物質(zhì)問題的出現(xiàn)
我們應該清楚，萬有引力定律是一個普遍的理論，這意味著它在宇宙的任何地方都是適用的。支配太陽系的定律必須與支配星系的定律相同。所以我們有兩種不同的方法來測量宇宙中“大結構”的質(zhì)量：
我們可以測量星系發(fā)出的星光，因為我們知道恒星是如何工作的，所以我們可以推斷出星系中恒星的質(zhì)量。
我們可以測量星系是如何運動的。從萬有引力，我們可以推斷出星系的總質(zhì)量。
現(xiàn)在我們要問一個十分關鍵的問題：這兩個數(shù)字匹配嗎?（我們需要知道一個事實：就太陽系中，太陽占太陽系總質(zhì)量的的99.86%）
這兩個數(shù)字不僅不匹配，而且相差甚遠！通過萬有引力計算的星系質(zhì)量是我們觀察得到恒星總質(zhì)量的50倍。無論我們觀察的是小星系、大星系、星系群還是星系團，結果都是如此。
這個數(shù)字告訴了我們一些重要的事情：
要么構成宇宙質(zhì)量98%的物質(zhì)不是恒星，
要么是我們對引力的理解是錯誤的。
不論是哪一個可能，都會對我們理解宇宙產(chǎn)生深遠的影響！我們先來看第一種可能。
除了構成星系和星團質(zhì)量的恒星外，可能還有很多很多其他的物質(zhì)，包括:
1. 一團不發(fā)光的物質(zhì)，如行星、衛(wèi)星、小衛(wèi)星、小行星、冰球等
2. 中性和電離的星際氣體、塵埃和等離子體
3. 黑洞
4. 像白矮星和中子星這樣的恒星殘骸
5. 非常暗的恒星或矮恒星。
怎么說！這些物質(zhì)都可以為星系提供質(zhì)量。但問題是，科學家也想到了，并且已經(jīng)測量了這些物體的豐度。宇宙中正常物質(zhì)(即由質(zhì)子、中子和電子組成)的總量，包括輕元素的豐度、宇宙微波背景、宇宙的大規(guī)模結構以及各種天體物理測量，其中還有中微子的貢獻。這也就是我們目前知道的正常物質(zhì)的總量。
我們現(xiàn)在知道：宇宙中大約有15-16%的物質(zhì)由質(zhì)子、中子和電子組成，其中大部分是星際(或星系間)氣體和等離子體，還有1%的正常物質(zhì)以中微子的形式存在。那么剩下的那一大片的物質(zhì)，一定是一種具有質(zhì)量，并且不與其他物質(zhì)發(fā)生電磁作用，只會產(chǎn)生很微弱的弱相互作用的粒子！并且它不是標準模型中的任何粒子。
這就是我們常說的暗物質(zhì)的問題。
其實我們能想到的，科學家也早都想到了！假設這種看不見的新型物質(zhì)并不存在，是我們的理論出了問題，在大尺度上的引力定律是錯誤的呢？下面我們就說下這個想法！
暗物質(zhì)的歷史，以及隨著時間的推移我們對暗物質(zhì)的了解，難道我們的引力出了問題？
在早期階段人們對大規(guī)模結構的形成知之甚少。但從20世紀30年代開始，弗里茨·茲威基(Fritz Zwicky)就開始測量星系團中來自星系的星光，以及各個星系之間相互移動的速度。這時他就注意到了上文中提到的：恒星的質(zhì)量與必須存在質(zhì)量之間存在巨大的差異，而足夠的質(zhì)量是星系結構穩(wěn)定的必要條件。
包括現(xiàn)在都有人對暗物質(zhì)是否存在產(chǎn)生懷疑，所以在那個時候根本就沒人相信有看不見的物質(zhì)！所以大約40年來，茲威基工作基本上都被科學界忽視了。
直到20世紀60年代，當人們開始進行大規(guī)模的宇宙學研究時，凱恩（F. D. Kahn）和沃特（L. Woltjer），他們研究了銀河系和仙女座星系的相對運動，其結果表明，除了茲威基的集群動力學問題（單個星系），在更大尺度上看到的結構需要一個不可見的、非重子質(zhì)量源來解釋所觀察到的結果。(自那以后，2dF（上圖）和SDSS等研究也印證了這一情況)
在20世紀70年代，薇拉·魯賓(Vera Rubin)對仙女座中星體旋轉(zhuǎn)速度的研究發(fā)現(xiàn)，星系中星系外圍的星體旋轉(zhuǎn)速度并沒有因為遠離中心而減小，如果不存在其他物質(zhì)提供引力，外圍的星體會因為高速旋轉(zhuǎn)而被甩出星系！但實際情況是，星系結構如此的穩(wěn)定！所以這讓人們重新關注旋轉(zhuǎn)星系，以及各種研究展示出來的暗物質(zhì)問題。
薇拉·魯賓(Vera Rubin)
根據(jù)對萬有引力定律以及對星系中正常物質(zhì)密度的觀察，我們會認為，當遠離螺旋星系的中心時，圍繞星系中心旋轉(zhuǎn)的恒星會減速。這應該與太陽系的情況非常相似，水星的軌道速度最高，其次是金星，然后是地球，然后是火星等等。但自旋星系顯示的實際情況是，當逐漸遠離星系中心時，旋轉(zhuǎn)速度似乎保持不變。這告訴我們，星系中彌散著大量看不見的物質(zhì)，在保持著星系的穩(wěn)定，要么就是我們的引力定律不適合大尺度結構，需要修改！
早期關于暗物質(zhì)的替代方案——對引力模型的修正，其結果如何呢？
我們現(xiàn)在直到暗物質(zhì)是對以上所有問題提出的最主要解決方案，但一開始沒有人知道暗物質(zhì)是什么？它的溫度特性是什么？以及它是否/如何與正常物質(zhì)或與自己發(fā)生相互作用。所以人們就提出了第一個主要的替代暗物質(zhì)的方案。
在20世紀80年代的早期人們提出了MOND（修正牛頓動力學的縮寫），作為一種解釋星系旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象學、經(jīng)驗模擬的理論。MOND在小尺度結構(星系尺度)上運行得確實很好（如上圖所示），但在所有大尺度模型上都失敗了。MOND不能解釋星系團，不能解釋大規(guī)模的結構，也不能解釋輕元素的豐度等等。
MOND除了在解釋大尺度結構上的失敗之外，它也不是一個可行的引力理論。這意味著MOND不能解釋星光因質(zhì)量而產(chǎn)生的彎曲、引力時間膨脹或光線紅移、雙脈沖星的行為或其他任何符合廣義相對論的引力現(xiàn)象。如果真的要對引力理論做出修正，我們需要的是一個相對論性質(zhì)的引力版本，它既能解釋星系的旋轉(zhuǎn)曲線，也必須解釋我們目前的引力理論所成功預測的所有現(xiàn)象。
總結：只有引入暗物質(zhì)，宇宙才能在大尺度上完好的運行并與我們的觀測相符
然而，隨著時間的推移，暗物質(zhì)理論開始在宇宙學的觀察中取得了巨大的進步。隨著我們對宇宙更大尺度的觀測和對宇宙微波背景波動的(下圖)精確測量，人們發(fā)現(xiàn)只要引入暗物質(zhì)，宇宙在所有的尺度上都將符合預期的觀測結果。
換句話說，一個由比正常物質(zhì)多五倍的暗物質(zhì)組成的宇宙與所有最新的觀測結果高度一致。
這是暗物質(zhì)的巨大勝利，也是對所有修正引力模型的否定。這就是為什么我們?nèi)绱舜_定暗物質(zhì)存在的原因。
