星系在旋轉(zhuǎn)。太陽大約要用2.25億年轉(zhuǎn)完一周。這一周期通常叫做宇宙年。在一個(gè)宇宙年前，地球上最高級(jí)的生命形式是兩棲動(dòng)物，甚至恐龍都還沒有出現(xiàn)。設(shè)想一下一個(gè)宇宙年之后的地球是什么樣子將是十分有趣的。我們?cè)陔x星系主平面不遠(yuǎn)處運(yùn)動(dòng)，并剛剛離開其中一條旋臂——獵戶臂。所以我們現(xiàn)在位于一個(gè)相對(duì)空曠的區(qū)域。

神秘的暗物質(zhì)

在我們太陽系中，行星繞日公轉(zhuǎn)的速度隨著它們到太陽距離的增加而減少，因?yàn)殡x太陽越遠(yuǎn)，引力越弱。順理成章地，同樣的規(guī)律也應(yīng)該體現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)的星系上。靠近中心的星的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該比遠(yuǎn)離中心的星的運(yùn)動(dòng)快得多。然而天文學(xué)家驚奇地發(fā)現(xiàn)，不是這么回事。遠(yuǎn)處恒星的宇宙年比預(yù)計(jì)的要短，所以旋臂不會(huì)很快地卷繞起來。星系的情況似乎介于太陽系和一個(gè)剛體之間。剛體的情況像一個(gè)旋轉(zhuǎn)的自行車輪子，在車軸附近的一塊泥點(diǎn)的移動(dòng)比在車圈上的移動(dòng)慢得多，但兩者用同樣的時(shí)間走完一周。

如果星系里的恒星像行星環(huán)繞太陽那樣簡單地圍繞著一個(gè)中心質(zhì)量旋轉(zhuǎn)，就無法解釋這種奇怪的現(xiàn)象。唯一可能的答案是這個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量并不是集中在中心或中心附近，而是分布在整個(gè)星系盤和星系的外側(cè)。最有可能的解釋是存在分布在整個(gè)星系暈內(nèi)的暗物質(zhì)。暗物質(zhì)完全不可見，只有萬有引力才能泄露它們的所在。

暗物質(zhì)是否就是普通的物質(zhì)？比如大量非常暗弱的低質(zhì)量恒星，除非它們按照宇宙標(biāo)準(zhǔn)來看聚集得很近，否則我們將無法看到。當(dāng)然恒星的數(shù)量是很多的，最新的估計(jì)是在可視宇宙中恒星的總數(shù)達(dá)到7×1022個(gè)，但似乎它們的總質(zhì)量也無法與暗物質(zhì)總量相匹配。

這些質(zhì)量是否有可能被禁錮在黑洞中了？我們可以計(jì)算現(xiàn)已掌握的這類質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)對(duì)不上。史蒂芬?霍金曾預(yù)言存在地球質(zhì)量級(jí)別的黑洞，但還從未發(fā)現(xiàn)過。曾經(jīng)看起來更有希望的一種方案涉及中微子——沒有電荷的快速粒子,不易檢測但數(shù)量極其豐富，在驅(qū)動(dòng)恒星的反應(yīng)中大量產(chǎn)生。每秒鐘有數(shù)千個(gè)中微子穿過我們的身體，如果中微子具有一點(diǎn)質(zhì)量，那么就可以為暗物質(zhì)提供一種解釋。與幾年前相比，現(xiàn)在我們對(duì)此有了更深入的了解：盡管中微子不是完全沒有質(zhì)量，但它的質(zhì)量遠(yuǎn)不夠解決這一問題。

我們還剩下兩種選擇。一是暗物質(zhì)可能是由現(xiàn)在還未知的基本粒子構(gòu)成，每個(gè)質(zhì)量很小，但數(shù)量足夠多，可以解釋這種差異。這種假設(shè)的粒子叫做弱相互作用重粒子，即WIMP。而粒子物理學(xué)已經(jīng)對(duì)它們應(yīng)該是什么樣子給出了具體的預(yù)言。另一種解釋是暗物質(zhì)由普通物質(zhì)構(gòu)成，以暗弱而大質(zhì)量天體的形式存在，例如行星，或棕矮星一類的小恒星。對(duì)這類稱為大質(zhì)量致密暈族天體，即MACHO的探測已經(jīng)在進(jìn)行，據(jù)信它們潛伏在大質(zhì)量星系的星系暈中。探測已經(jīng)取得了一些積極的結(jié)果，現(xiàn)在我們?cè)诘却l(fā)現(xiàn)一個(gè)經(jīng)過的WIMP。然而事情并未就此完結(jié)。