■早在1933年，瑞士天文學家兹威基就指出，后髮座星系團（Coma Cluster）中存有黑暗物質。 網上圖片物理學家之間有時會打趣地說：「組成宇宙的大部分物質都不是我們日常接觸到、所熟悉的物質，因此研究這些常見物質的化學科看起來就不算是很重要了！」這當然是科學家之間的玩笑話，不過亦指出了我們對「宇宙是由什麼構成的」這個課題其實不甚了了。然而，為什麼我們會認為宇宙中有大量我們不認識的物質呢？一直以來，科學家們不斷探索這些物質的本質；想不到到了今天，一個上世紀70年代被發送至太空的人造衛星，還在協助我們回答這個問題。今天就跟大家簡單分享一下。
想星星旋轉 質量不夠數
為什麼我們會突發奇想，以為宇宙中有大量我們不熟識的物質？早在1933年，瑞士天文學家兹威基（Fritz Zwicky）就指出，以我們觀察到的物質數量來說，后髮座星系團（Coma Cluster）中的星星、星團，實在是旋轉得太快了。
任何物體環繞一個中心轉動，必須有足夠的力量把它拉向中心；不然的話，物體早就順勢向外飛走，不會再繞着中心轉了。（還記得小時候玩「氹氹轉」，我們是如何死抓着欄杆，以免向外飛去嗎？）
不過，太空之中空空蕩蕩，物質之間的力量，自然主要就是來自萬有引力；因此物質愈多，就可提供更大的力量去「支援」星星、星團的快速旋轉。兹威基的計算，卻發現后髮座星系團要以現在速度旋轉所需的質量，遠遠超過我們觀測到的這個星系團的總質量。因此，看來這個星系團中，有些質量是我們看不見的！由於我們是藉由物體發出或反射的光來偵測它們的存在，這些看不見的物質看來應該是黑暗的，所以兹威基就把它們叫作「黑暗物質（dark matter）」
可硬又可彈 網破不全爛
這些「黑暗物質」究竟是什麼來的呢？老實來說，到了現在我們還是不很清楚，不過一直以來科學家們提出了不少的可能性，其中一個就是分佈於宇宙各處的黑洞。
大家可能都知道黑洞是物質高度集中的產物，體積可能跟其他天體比起來較小，不容易直接觀測，不過質量卻不容小覷，因此可能就是我們觀察不到的「黑暗物質」。不過根據已故物理學家霍金（Stephen Hawking）的理論，「黑」洞其實並非完全黑暗，而且還是有溫度的：質量較小的黑洞固然體積較小，不過溫度較高，會以輻射的形式釋放出電子及正電子（positron），因此這些電子及正電子應該可以容許我們偵測到這些微小的黑洞。
地球受着太陽的磁場影響，因此這些外太空的黑洞輻射不容易到達地球；倘若我們要測度這些輻射，可能就要遠離太陽的「勢力」。
不過不用擔心，這樣的儀器其實早就在外太空中了：美國太空總署（NASA）在1977年將人造衛星航行者1號（Voyager 1）送上太空，本是用來探索木星、土星等太陽系裡的行星；不過航行者1號「體格壯健」，到了今天還在運作，亦在6年前離開了太陽系。
以上提到的微小黑洞的輻射，就正好可以被航行者1號偵測到。法國索邦大學（Sorbonne Université）的Mathieu Boudaud和Marco Cirelli，就在航行者1號量度到的訊號裡尋找，卻沒有找到這些微型黑洞輻射的證據。看來「黑暗物質」的真面目並不是這些微型的黑洞啦。（不過更重的黑洞還是有可能。）
小結
科學的發展，不見得一定要最新的儀器，有時候我們的巧思可能更重要；希望今次航行者1號的故事，可以是一個好例子。至於「黑暗物質」的真面目，科學家們還在「努力調查中」；期望在近期的未來可以有更多的突破吧。
■張文彥博士 香港大學理學院講師
短暫任職見習土木工程師後，決定追隨對科學的興趣，在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位，修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師，教授基礎科學及通識課程，不時參與科學普及與知識交流活動。
逢星期三見報