文／郭詠澧　

宇宙是由物質構成的，我們所看到的太陽、星系以及人類等，所有東西都是由物質構成的，但是天文學家觀測宇宙星系時，發現了「看不見的物質」。科學家透過天體的運動、牛頓萬有引力的現象、引力透鏡效應、宇宙中大尺度結構的形成、微波背景輻射（CMB）等觀測方式，以及物理學理論，來探測與推論這種物質，結果把這種不與電磁力產生作用的物質，也就是無法透過電磁波探測，不吸收光、不反射光、不發光，幾乎不與普通物質發生電磁相互作用的物質，定義為「暗物質」（Dark Matter）。

宇宙謎團 多暗物質



天文學家發現暗物質存在於星系、星團及廣袤的宇宙中，其質量遠遠大於宇宙中全部可見天體質量的總和。這些不屬於構成可見天體的任何一種已知的物質，估計占據宇宙總質量的26.8%，是普通物質的5倍以上，約占全部物質總質量的85%。

暗物質是如何被發現的？下面將暗物質被提出的歷程做個介紹：

星系團動力學的矛盾：1933年，瑞士的天文學家茲威基（Fritz Zwicky）觀測「后髮座星系團」時，發現星系旋轉速度對應的中心質量，與透過光學觀測推算的中心質量不符合，其周圍星系轉速明顯過快，速度遠超過可見物質引力所能束縛的極限，被推測存在400倍以上的重力缺損，也就是有大量的質量缺失不見了。

星系旋轉曲線異常：1970年代，美國天文學家薇拉．魯賓（Vera Rubin）觀測仙女座星系時，發現銀河系外圍恆星的運動速度並未隨距離增加而下降，周圍與中心的旋轉速度幾乎沒有差別，維持著恆定轉速，暗示存在著大量不可見質量，存在著大量環繞星系的暗物質暈，並推論仙女座真正質量，是光學觀測結果推算的10倍。

引力透鏡效應的驗證：天文學家透過引力的效應，發現光線經過星系團時發生的彎曲程度，遠遠超過可見物質質量的預測，推論出宇宙中有大量暗物質的存在。天文學論文發表觀測HS0810+2554星系時，發現背景星系光線經過暗物質密集區域產生了扭曲畸變。

宇宙結構的形成：1986年，科學家觀測宇宙大規模結構，發現星系分布如同泡泡結構；若要形成這種結構，僅靠觀測到的質量是不夠的，因此假設宇宙存在看不見的物質，隨後運用微波背景輻射各向異性的數據，結論出暗物質為早期宇宙結構提供引力凝聚核心；由星系運動確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力（質量）」，來證明暗物質的存在。

發現歷程 4重要性



暗物質被發現的重要性可以歸類成4點：

形成宇宙結構的建築師：宇宙爆炸產生密度擾動，進而產生暗物質擾動，由於重力偏差讓周圍暗物質聚集，提升重力（質量），進一步吸引更多粒子聚集，物質往較濃密度部分聚集，形成了目前觀測到的星系或星系團等大規模結構；因此天文學家認為宇宙大爆炸後，暗物質通過引力形成了「宇宙網」，若無暗物質，星系與恆星是無法形成的。

維持星系的穩定：暗物質暈的引力束縛使星系外圍恆星維持高速旋轉，如銀河系邊緣恆星速度可達220km/s，避免了星系解體，暗物質穩固了星系的存在。

宇宙演化的調控與平衡：暗物質與暗能量共同決定宇宙命運，暗物質透過引力減緩膨脹，暗能量推動加速膨脹，兩者的平衡形成了當今宇宙的「平坦結構」，在宇宙中皆具有主導地位。

物理學革命的貢獻：暗物質的存在挑戰物理學的標準模型，推動超對稱理論、軸子理論等新物理框架的發展，催生了顛覆性技術，如量子傳感器的發明。暗物質的探測對天文物理學與宇宙學進階研究的推動功不可沒。