秤上的数字对不上
1933年，瑞士天文学家弗里茨·兹威基盯着一叠光谱数据，越算越不对劲。数据来自后发座方向一片遥远的星系聚集区，距我们约3.2亿光年。里面的星系跑得太快了，快到用看得见的物质根本拽不住它们。他给这份”失踪的质量”记了一笔账——直到今天，仍没人真正知道它是什么。
兹威基测到，那些星系的运动速度大约是每秒1000公里。作为对照，太阳带着地球绕银河系中心飞奔，速度约每秒230公里，比它们慢了4倍多。跑得越快，需要的引力越强；可如果把那片天区里所有恒星的亮度折算成质量，只够提供所需引力的十分之一左右。多出来的那份，后来被称作暗物质——既不发光，也不与光发生明显作用，只能靠引力被”感觉”到。它究竟由什么粒子构成，目前尚无定论。
看不见的”汤”才是主角
先把概念说清楚。星系团，一句话定义：几十到上千个星系被引力长期绑在一起形成的天体系统。你可以把它想成一个大型居住区——银河系这样的星系是一栋楼，星系团就是整个小区。只不过小区里占面积最大的是空地，而在这个”小区”里，占体积最大的不是星系，而是稀薄却极热的气体。
1970年代，X射线卫星第一次拍到这类系统发出强烈的X射线，天文学家才确认这锅”汤”的存在。打个厨房里的比方：一锅烧开的水热气腾腾，里面飘着几粒米；气体是汤，星系只是米。汤的温度在1000万到1亿摄氏度之间，比太阳表面（约5500摄氏度）热上千倍。按目前的观测估计，星系团普通物质里约九成是这锅汤，恒星只占一成上下。
汤为什么没跑掉？因为整个系统的引力足够强，把它按在原地。反过来，这锅汤也是一杆秤：气体越热、铺得越开，说明拽住它的引力越强。
把银河系缩成一枚硬币
尺度用比例看最直观。假设银河系是一枚1元硬币，直径25毫米——等于把10万光年的银河系压到了2.5厘米。按同一比例，这样一个系统的直径（几百万到上千万光年）会变成直径约2.5米的圆盘，差不多一张餐桌；而我们到后发座那片天区的距离，则变成80米开外。你坐在餐桌边，望向80米外的另一张桌子，大致就是天文学家面对的距离感。
它还会长大吗
银河系并不孤单。它和仙女座星系等几十个成员组成本星系群，本星系群又只是拉尼亚凯亚超星系团（直径约5.2亿光年）中的一小块。层级大致是：星系群、星系团、超星系团，越往上，引力束缚越松。
这些结构还在长大吗？一部分会。理论预言，靠得足够近的系统会继续并合，像滚雪球一样变大。另一边，宇宙正在加速膨胀——这一现象已由遥远的超新星观测证实——它会把彼此远离的结构越推越开；但一个已被自身引力绑紧的系统，内部并不会被拉开。至于暗能量的本质、这些庞然大物最终的模样，目前尚无定论。
回到那个算不平的夜晚
兹威基没有算错，他只是比时代早了太久看到那笔账。按现有观测估计，暗物质约占这类系统总质量的八成以上，可它由什么构成，几十年过去，地下探测器一次确凿信号也没等到。
下次你抬头看星星，可以这么想：你看到的那颗星属于银河系，而银河系只是这类庞然大物里的一粒米。那么在比视线更远的地方，还有多少个”小区”正在悄悄并合、悄悄变重？
延伸阅读
- 纪录片《宇宙的奇迹》（Wonders of the Universe，BBC，2011年）
- NASA 钱德拉X射线天文台官网 chandra.harvard.edu，设有星系团与高温气体的图像专题
- 丽莎·兰道尔《暗物质与恐龙》（Dark Matter and the Dinosaurs，2015年）