暗物质在我们理解现代宇宙学中扮演着核心角色。然而,大多数研究人员对它有趣的历史以及如何被接受为各种各样的天体物理观测的标准解释却知之甚少。许多出版物或者相关报告中,要么忽略了这个领域的悠久历史,要么浓缩成一个简短的轶事,典型的是围绕着弗里茨·兹威基在20世纪30年代对星系团的研究,以及维拉·鲁宾在70年代对星系旋转曲线的研究。
只有少数科学家,甚至更少的历史学家,努力从历史的角度系统地分析暗物质问题的发展,而且令人惊讶的是,很难找到系统描述暗物质发展历史的文章和书籍。
本文目的是对导致暗物质建立的理论争论和实验观测进行回顾。本文开始会讨论一些早期的想法,但我们的重点是20世纪,从第一次对宇宙中暗物质丰度的动力学估计开始,到70年代末期暗物质的存在被普遍地接受。
俯瞰整个历史,不乏伟大的自然哲学家们对物质的本质进行过大胆的思考,甚至提出过存在无法察觉的物质,它们或者距我们太过遥远,或者太暗淡,或者它们本身就是不可见的。尽管这些早期的研究可能缺乏科学上的严谨性,并且带有宗教哲学色彩,但这也向我们揭示了人类理解自然的脚步从未停歇。许多早期文明都曾建立了他们自己理解的宇宙体系,但毫无疑问古希腊人首次尝试在理性和经验的基础上建立物质的模型。
1687年,艾萨克牛顿的论文《自然哲学的数学原理》横空出世,科学,尤其是天文学迎来了巨大的发展浪潮。牛顿运动定律和万有引力定律为科学家们提供了新的强大的工具,实现了通过测量动力学属性来得到引力质量的方法。1783年,约翰·米歇尔意识到,如果光也受到万有引力定律的影响,那么可能存在质量大到连光都无法逃脱其束缚的天体。
对于这个想法,十五年后皮埃尔·西蒙·拉普拉斯也进行了著名的讨论,通常被认为是第一次提到关于后来被称为黑洞的讨论。
1933年,瑞士裔美国天文学家弗里茨·兹威基可以说是暗物质领域最著名、被广泛引用的先驱者。1933年,他研究了埃德温·哈勃和米尔顿·赫马森发表的各种星系团的红移,并注意到后发座星系团内八个星系的视速度存在很大的分散性,差异超过2000km/s。事实上,后发座表现出相对于其他星系团巨大速度弥散,这已经被哈勃和赫马森注意到了,但兹威基更进一步,将维里定理应用于星系团,以估计其质量。
星系的旋转曲线,即星系中恒星和气体的旋转速度,作为它们与星系中心距离的函数,在暗物质的发现中发挥了特别重要的作用。在一些合理的简化假设下,从星系的旋转曲线推断星系的质量分布是可能的。从历史上看,在距离星系中心非常远的地方观测到的近似平坦的旋转曲线最能使科学界相信大量暗物质存在于星系的外部区域。