星星一定在動？
好， 今天我想來談談暗物質。在進入主題之前， 我想請大家回想一下上一回說過的牛頓「運動定律」。牛頓思考「為什麼星星不會掉到地球上」，想出了「因為它在動」的答案。
如果停止運動， 就會掉下來。例如，這是人造衛星墜落地球前的狀態，但它並不是以靜止狀態飄浮在地球上空。因為重力一直在運作，一旦靜止的話，最後一定會朝著地球墜落。它沒有墜落，就是因為它相對（或是抵抗著？）重力朝某方向在運動。
這個圖的狀況，人造衛星正好繞著地球周圍打轉。它飛行的運動，與重力巧妙的維持均衡，所以不會掉落下來。它拚命的運動以避免墜落。請各位記住，重力與運動永遠互為表裡。重力發生作用的地方，物體在運動。反言之，如果有天體在運動，那就是重力發生作用。
記住這個法則，今天講述的內容就會比較容易理解。
離太陽越近，公轉速度越快，離得越遠越慢
那麼我們先來想想太陽系行星的公轉運動吧。太陽在正中央，行星繞著它的周圍旋轉（圖 56 ☞）。行星不會朝著太陽墜落，是因為它保持著某個速度。而且越接近中心的星球，應該旋轉得越快。事實上水星旋轉的速度驚人的快，而最外側的海王星則是個慢郎中。
距離中心越遠，公轉速度越慢─我們做個圖表看看吧（圖 56 ☛）。縱軸是「速度」，橫軸是「與太陽的距離」，輸入各別行星的速度之後，就會形成這樣。離太陽近的行星速度快，距離遠的速度慢。原因是離太陽越近，受到它的重力影響越大。重力正是公轉的原動力。請牢記，畫成圖表的話，可以描出這樣的曲線。
依據這個原理，我們再來看看星系吧。
這是仙女座星系（圖57）。大和宇宙戰艦的目的地─位於我們銀河系的隔壁，所以經常看得到它的名字。
從側面來看這個星系的話，會呈現這種形狀（圖 57 ☞）。上面照片中的中央也是圓圓隆起的樣子，而且非常明亮。為什麼會這樣呢？因為正中央聚集了大量的恆星，周圍的星球則是呈圓盤狀散開的關係。
這就是被稱為「螺旋星系」的特徵，而中央星球聚集的地方，叫做「核球」（bulge＝凸出），而周圍叫做「盤面」（disk＝圓盤）。從亮度的分布來推測，絕大多數的星球都集中在核球，周圍的盤面沒什麼星球。星系的結構就是這樣。
星系的自轉速度很奇怪……
接下來我們來思考一下星系的運動吧。看上去，星系是靜止的，但是仔細觀測一下，就會知道它也在旋轉。星系聚集了大量恆星，當然是重力在運作的關係。如同一開始時我說過的，重力運作的地方，星球會恆常的運動。如果運動停止的話，就會朝著核球落下，所以它必定在旋轉。
再來思考盤面上星球的運動吧（圖58）。這些星球以多快的速度在運動呢？我們來測量一下它們個別的旋轉速度。
有一位學者叫做薇拉．魯賓（Vera Rubin），就真的做過這個測量──她是上一次講到的伽莫夫（George Gamow）的學生──這位科學家使用的方法，是都卜勒效應。前一次也介紹過，這是波必定會出現的現象，遠離時波長會拉長。以光來說，「波長拉長」的意思，在顏色上會往紅色方向（紅移）移動。測量它的偏移量，就可以測得星球的速度─這是上一回講義中說過的。魯賓就是用這種方法，測量盤面上的星球速度。
預測的狀況是這樣（圖 58 ☚），照理說，越接近核球，速度越快吧？因為幾乎所有的質量都凝聚在核球，所以它應該和太陽系一樣，越近越快，越遠越慢。若不是如此就有問題了。
可是……
但實際上這位學者發現了一個驚人的現象，不論內外，所有星球的旋轉速度幾乎都一樣。（圖 59 ☜）即使距離中央十分遙遠，速度卻不變。照理說，越往邊緣走，速度會越慢才對。速度沒有變慢，恐怕是發生以下這種狀況，即本來以為星球凝聚在核球，而周圍的盤面幾乎呈現沒有星球的狀態，但似乎不然，難道是有星球以外的物體，以「黑」的狀態密集分布在周圍嗎？（圖 59 ☚）這裡應該有一些具有大質量的、無法以光看見的物質吧……
這個以「黑」顯示的領域稱為「銀暈」（halo＝光暈）。密集在銀暈中的某物──一般認為就是暗物質，就是今天的主角。「halo」這名字滿可愛，但卻是「黑暗的」。
這是宇宙的一個謎，今天就要來說說這個謎。
球形的笨蛋！
這一位是科學家茲威基（Fritz Zwicky，圖 60）。他是超新星的專家，從他的名字弗里茨，很多人會以為，他是德語系的人，其實他是瑞士人，在美國做研究。
據說，他是個頑固老爹，可能因為自詡聰明，所以常常對人大聲責罵。罵人的方法也變化多端。但他最喜歡的一句，卻是「球形的笨蛋」。為什麼是「球形」呢？這表示不論從哪個角度看都是笨蛋的意思……算是個不夠聰明還會意不來的玩笑。德國常常有這類玩笑話，需要轉個彎想才會明白，但一點都不好笑。
剛才的那位魯賓在 70 年代時，曾研究過星系的旋轉速度，得出「好像有暗物質」的結論。但是這位茲威基卻在她 40 年前──也就是一九三○年代，就發現了這個驚人的現象。當時的時代既沒有「暗物質」這個名稱，連概念都沒有。但這位學者並不是研究星系中一顆顆恆星的旋轉運動，他研究的是星系本身的動態。
這個圖是「后髮星系團」，其中發出朦朧光線的圓盤狀物體，每一個都是一個星系（圖 60），集合了大量星系的天體叫做星系團。既然每一個圓盤都是星系的話，質量當然大得不得了。質量大的星系大量聚集─聚集歸聚集，但也有著相當的距離─會產生無法想像的重力。既然重力在運作，當然就會運動。茲威基便因此研究起星系團的運動。
運用牛頓的運動定律，計算速度，就可以估算出質量。若要對一個一個星系縝密的計算，需要極困難的演算，但是有一種匯總這種問題的學問，叫做統計力學，使用它就能比較簡單的求得。
為星星取你的名字送給你
對了，為什麼會取「后髮座」這個名字呢。星座的取名最初是從「把某顆星和另一顆星連起來，變成某種形狀」的方式開始的，但世界各地都有不同取法，很容易造成混亂。所以某一時候決定做個統一，國際天文學會的組織決定了哪裡是獅子座，哪裡是小熊座─雖然怎麼看也不像小熊啊─長得像「后髮」的說法也很玄奇，不過，那個組織就決定了「后髮座」的名字。
再說件不相干的事。天體中只有星座和一等星會取名字。各位應該也有聽過織女星或是牛郎星吧，但是二等星以下基本上沒有名字。二等星中有取名的，只有北極星，其他的都是無名星，你可以任意幫它們取名。
因為這個原因，還興起了一門生意。有人以「為星星取你的名字送給你」作為宣傳，只要付一筆錢，就能拿到認定書之類的證明。但實際上並沒有得到國際天文學會的承認，只是隨便任意取名而已。其實不用花錢，自己隨便幫一顆星取名也是一樣。那種手法只是欺騙不懂內情的人罷了。
你一定聽過黑洞、時間旅行、暗物質、蟲洞、希格斯粒子、空間扭曲、相對論……但你真的「知道」那是什麼嗎？快跟著《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》吧！（本書為聯經出版）
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