宇宙是什么

2. 暗物质的“地图”

  广义相对论是说明“引力”如何对物质产生作用的理论。说起引力，我们一般会想起牛顿。牛顿说明了苹果和地球都是在引力的作用下“落下”的，但他并未解释引力为什么能够对物质产生作用。

  对于这个问题，爱因斯坦的解释是：引力扭曲空间，从而对物质产生作用。这究竟是怎么回事呢？

  例如，假设有一张柔软且平坦的橡胶皮。如果将一个沉重的铁球放到橡胶皮上，那么铁球与橡胶皮接触的部分会发生扭曲，也就是凹陷。

  此时，如果在该位置几厘米之外的地方再放一个铁球，情况会如何呢？橡胶皮会产生更大的扭曲，两个铁球会向橡胶皮的凹陷的深处运动，最终撞到一起。如果橡胶皮是由不可见的材料制成的，那么两个铁球看上去就是在互相吸引对方。

  现在，请将这张橡胶皮想象成“空间”，将两个铁球想象为“苹果”和“地球”（或者“地球”和“太阳”）。虽然这是一个二维空间的类比，但其实三维空间也会发生相同的现象。

  如果能想象出这种画面，那么应该就能大致理解爱因斯坦所言之意了。也就是说，物质的质量使空间发生扭曲，所以物质看上去是相互吸引的。

  另外，爱因斯坦认为引力的这种作用不仅会让空间发生扭曲，还会让光的传播发生弯曲。这样的话，恒星的光通过引力强大的太阳附近时，其传播路径便也会发生弯曲。

  不过，由于太阳极其明亮，所以我们无法从地球上观察到它附近的恒星。但是，让其成为可能的机会虽然千载难逢，却也并非无处可求。那就是从地球上看太阳变暗的瞬间，即发生日全食的时候。

  因此，爱因斯坦提出了在日全食时观测太阳附近恒星位置的方法。后来的研究者按照他的提议进行观测后发现，同一恒星的位置在有太阳时（日全食时）和没有太阳时（夜间）发生了“偏离”。其“偏离”的原因就是光在太阳的引力作用下发生了弯曲。

  我们把这种光在天体等物质的引力作用下发生弯曲，使观测者眼中所见结果发生改变的现象称为“引力透镜效应”。

  讲到这里，理解能力强的读者可能已经明白了绘制暗物质地图的原理。

  暗物质拥有将太阳系束缚在银河系中的强大引力，所以暗物质所在之处自然存在引力透镜效应。来自暗物质身后的恒星或星系的光，通过暗物质的位置时会发生弯曲，望远镜所成的像也会出现各种歪曲现象。对这些歪曲的情况进行具体分析，就能推测出暗物质的分布状况。

  我们IPMU的高田昌广也参与了暗物质地图的绘制工作。在暗物质地图的绘制中，研究人员用“山的海拔”模拟引力的大小，将“等高线”引入到宇宙空间中。目前，暗物质地图的绘制工作进展得非常顺利。我们可以从这张地图上直观地看到，宇宙空间的大部分是暗物质。人类通过望远镜的观测，成功地看到了“不可见的物质”。

图2-1 暗物质地图