第一章 暗物质概念的产生
前言
网络的普及或便捷，让我们可以方便地获得一些知识，也方便了人们的相互交流。在学习或浏览网页的过程中，我们可以迅速地把自己的想法或灵感写出来，发到网络上，以供大家鉴赏或批驳。这个过程是令人满意的，能及时地得到各种反馈信息，相互之间得到了很好的交流。这对于急性子的人来说，太过瘾了，这确实是一个伟大的美好时代！
广袤的宇宙让人遐想，一些人深思宇宙之奥妙。暗物质或暗能量这些词，似乎早就听说过，也不知道是什么意思。几年前，在浏览网络科技文章的过程中，才逐渐接触暗物质内容，并逐渐对之感兴趣。熟悉了，就有灵感了，似乎对暗物质的悟性有了灵感，究竟是什么灵感，现在似乎回想不起来了。总之，笔者有了全面论述暗物质的想法，这就是本书的起源。
暗物质地解释五花八门，有赞成暗物质的，有反对暗物质的。赞成暗物质的领域门派众多，反对暗物质的也是好几种，都是不令人满意的，笔者只能自己想法解决这个问题了。
第一章大致介绍暗物质概念产生的历程，哪些人对暗物质概念的产生或普及做出了重大贡献，以及一些宇宙学知识了解。
从第二章到第五章内容都是笔者对暗物质的全方位解释，这是本书的核心内容。笔者是不赞成所谓的暗物质的，暗物质只是各种各样的没有被发现的各种天体，这是笔者的核心思想。
为了凑够篇幅，第六章介绍了笔者对暗能量的解释，毕竟暗能量与暗物质是姊妹概念，二者放到一起，感觉还是不错的。
第七章大致介绍宇宙大爆炸内容，进一步加深对宇宙的理解，算是暗物质与暗能量的辅助知识。
第一章 暗物质概念的产生
1.1兹威基开创了暗物质概念
1933年，美国加州理工学院的兹威基（Zwicky，1898年–1974年）研究后发座星系团后，得出了让他困惑的数据，也就是根据引力作用计算得到的质量远大于根据发光水平计算得到的质量。他从而得出，会不会是在后发座星系团中存在着大量不发光的物质呢？这就是最早的暗物质概念。
我们知道，恒星往往会形成以自己为中心的天体系统，若干相邻恒星往往会形成恒星团，构成恒星之间的相互作用体系。大量的恒星或恒星团可以构成更为庞大的系统，这就是星系，比如我们的银河系。相互邻近的星系也可以聚集成群，形成星系团，比如，我们银河系所在的本星系团。星系团之间可以聚合成更大的星系团，我们银河系所在的本星系团，与周围星系团或星系形成了更为庞大的体系，本超星系团（室女座超星系团），后发座星系团应该就属于这个级别。在本超星系团上面，还可以有更大一级体系，比如，我们隶属的拉尼亚凯亚超星系团，而拉尼亚凯亚超星系团是星系细丝双鱼－鲸鱼座超星系团复合体的一部分。
图1 科学家绘制的局部宇宙大尺度结构，上面的中心区域就是后发座星系团。此图比较复杂，可供猎奇，是否看懂不影响阅读其它内容。
图2 美国宇航局（NASA）哈勃太空望远镜拍摄的后发座星系团的中心区域图片
图3 NASA发布的后发座星系团
后发座星系团位于狮子座附近，由上千个大星系（其中任意一个都是类似于我们银河系的星系）和几万个小星系（矮星系）组成的巨大的星系团。星系团中的星系在万有引力的作用下，必然是相对运动的，形成了一个相互运动或相互束缚的巨型天体系统。星系团中的星系的运动速度足以克服相互之间的引力作用，而不至于融入一体，但又不至于逃逸出群体，而导致星系团解体。
这意味着星系团中单个星系的平均运动速度与星系团总质量成正向关系，与星系团物质平均分布密度成正向关系。按照这个道理，我们只需要知道星系团中星系的平均相对运动速度和星系团的尺度（体积），就可以计算出星系团的总质量或物质分布密度了。当然，这应该就是维里定理的核心内涵了。只需要数据套入维里定理的公式中，就可以估算出星系团中星系的平均质量了。兹威基就是通过这个方式估算出星系团中星系的平均质量的。这是通过引力作用估算的质量，这就是引力质量或动力学质量。
其实，星系团的引力作用类似于恒星团体系，其外层星系环绕星系团中心运动，这个环绕速度是比较稳定的，这与星系团内部的星系的运行速度情况明显不一样。星系团或星系虽然质量巨大，但是运动速度依然远离光速，完全适合万有引力公式。因此，根据万有引力公式和向心力公式得到的V环=√（GM/R）这样的公式依然适合星系团外围星系的运动速度。这个环绕速度与星系团质量的平方根成正比，与距离星系团中心的距离的平方根成反比。星系团内部的星系运动情况应该会复杂一些，比如，其运动速度大小的变化幅度会较大，其运动路径也会较为复杂，我们不需要了解这些。
· 通过测量星系的亮度，然后根据亮度估算星系的质量，这样得到的质量称为“光度学质量”。我们知道，恒星等发光天体发出的光线是沿着三维空间向四周辐射，而球面积与半径的平方成正比，因此，恒星周围空间单位面积所通过的光子数量自然与半径R的平方成反比。
· 虽然天体系统中不仅有发光的恒星，并且恒星的质量也有明显差异，还有许多不发光或发光较少的天体，但是科学家通过实际统计数据知道，各个天体系统恒星占比质量几乎是接近的，差异不大。天体系统的发光量与质量的比值（光质比）差异较小，或较为固定。因此，在距离相等时，发光量或光度还与天体质量成正比。这让科学家可以通过观测某个星系或星系团的发光量（光度），以及这个星系或星系团与我们太阳系的距离，根据已有的经验，即光质比，来推测这个星系或星系团的质量。
兹威基虽然意识到后发座星系团拥有大量的不发光或者发光很微弱的物质或天体，其在论文中猜测，在后发座星系团中包含大量暗物质，也就是不发光或者相对很暗的物质。这是“暗物质”这个词第一次出现在学术论文中。
由于后发座星系团距离地球3.5亿光年，不发光或者发光很微弱的天体或物质，在地球上观测不到，这也是很好理解的。那时的观测水平远不如现在，比如，那时虽然理论上知道存在黑洞，但是还没有找到黑洞。因此，兹威基对自己的论文内容并没有感觉到多少新奇之处，这只是其感觉的普通学术论文而已。兹威基也就没有继续关注这个问题，很快，他的注意力就完全被明亮的“超新星”吸引过去了。直到他1974 年去世，都没有再关注暗物质这个概念。
1.2鲁宾让暗物质概念产生了极大吸引力
在兹威基论文中出现暗物质一词三十年后的1960年代，一位叫鲁宾（Rubin，1928年－）的美国女天文学家，在研究银河系的转动时，和兹威基研究后发座星系团一样产生了巨大困惑。银河系外侧的恒星绕银河系中心转动的速度，比用理论推算出的数值大了太多。
图4 根据鲁宾等一批科学家观测的大量数据，科学家绘制的银河系天体环绕银河系中心的线速度变化趋势图，纵坐标的速度单位是千米每秒，横坐标的距离单位是光年。
毕竟时代不同了，相对兹威基时代，人类对宇宙的了解更多了，人类观测宇宙的能力更强了。鲁宾对同样的困惑，不再轻易解释了，而是持续研究了十几年。她取得了大量翔实的观测数据，又做了仔细的计算，她发现，如果要维持银河系目前的转动速度，又不让银河系分崩离析，银河系的总质量必须远远高于目前已经观测到的所有可见天体的质量。也就是根据引力等公式计算出来的质量远大于根据天体发光水平计算出来的质量，引力质量远大于光度学质量。
鲁宾在疑惑中通过大量数据，几乎确定无疑地发现银河系的大部分物质看不到。当然，这是一个巨大的困惑，长期的困惑，她不可能默默独自研究这个问题，她把这种困惑分享给了同事。自然是得到了同事的支持和帮助，在与同事的思想或学术交流中，困惑被分担了，思路更加清晰了，信念或结论更加坚定了。到1980年，她和同事共同发表了详细描述这些发现的学术论文，这是一篇影响很大的有关暗物质的论文，从此，暗物质一词走入科学家的视野。
兹威基本人对自己的发现虽然困惑，但并不看重，自然也没有动力与同事分享。实际上，他就是发表成学术论文，大家也只是一看了之，不会有什么回响。这是时代的限制，兹威基的发现有些超前。鲁宾的发现那就是与时代同步了，资料丰富，数据扎实，自然是反响非凡。
图5 科学家绘制的一般星系的自转曲线图：根据光度学质量的预测值（A）和实际的观测值（B），代表距离的横坐标与代表速度的纵坐标相交的地方是星系的中心。暗物质的存在可以解释为何在半径较大时速度几乎不变。
图6 这是欧美科学家绘制的靠近仙女座星系，距离地球约三百万光年的三角座星系天体环绕中心速度示意图，横坐标单位是万光年。根据其环绕速度与银河系天体环绕速度的差异，我们可以判断其质量大约是银河系质量的四分之一。图中的两个曲线差异，显示其拥有丰富的暗物质。
1.3让更多科学家站台的星系碰撞事件
2006年，美国亚利桑那大学以道格拉斯·克洛为首的一组天文学家，利用钱德拉X射线望远镜对距离太阳系1亿光年的船底座区域，编号为1E 0657-56 的星系团进行观测时，无意间观测到星系碰撞的过程。星系团碰撞威力之猛，使得暗物质与正常物质分开，因此许多人认为发现了暗物质存在的直接证据。
图7 两个高速碰撞的星系组成了子弹星系团，这是以道格拉斯·克洛为首的科学家根据引力透镜观测技术得到的数据信息，加工后的彩色图像。
这两个星系相向运动而碰撞，导致其中的气体分子炙热起来，高温的气体分子会辐射出x射线，形成了外形像子弹头的气团，图中的红色部分。
X射线波段的观测表明，两个星系团在碰撞、融合时，主要物质都集中在子弹状的红色气团中。外围的蓝色部分并不辐射太多的x射线，这显示蓝色部分并没有太多的天体。但是蓝色部分却有明显的引力透镜效应，也就是说经过蓝色区域的光线会由于引力的作用而变得明显弯曲（引力透镜）。既然蓝色部分并没有太多的天体，为什么会表现出如此显著的引力透镜效应呢？结论自然是，蓝色区域充斥着大量的暗物质，是暗物质的引力作用才导致了光线的异常弯曲。
星系碰撞导致暗物质与可见物质的分离，让人们更加直观地感受到了暗物质的存在，让人印象深刻。星系碰撞是一种低概率事件，一次星系碰撞的过程可能持续上亿年，不过，这种场景依然在宇宙中是少见的。当然，再次发现类似的星系碰撞过程应该也不是太困难，我们宇宙中应该存在相当一部分这样的星系碰撞行为，这种现象绝不是孤立的。
这次观测似乎太有说服力了，加上之前的众多倾向于暗物质的证据，曾经摇摆不定的科学家，或者对暗物质嗤之以鼻的科学家，特别是那些理论物理学家开始转向了。想法把自己的理论与暗物质融洽，从理论上设想各种可能模式的暗物质。自此，暗物质成为科学研究的主流，大量科学家开始把精力用到这个领域。
两个相向运动的星系，自然会在引力作用下，相互加速。在距离很近的时候，相互应该可以加速到相当可观的水平。笔者准备在后面的内容中讨论这个问题，现在先回避这个问题。
1.4引力透镜成为暗物质研究的主要工具
在上面的星系碰撞事件中，我们已经涉及引力透镜这个内容了，现在引力透镜已经成为天文学家研究宇宙的强大工具。
无论是根据万有引力还是根据广义相对论，光线的方向都会受到引力的作用，光线的方向会因引力而改变。此时根据相对论内容判断光线方向的改变幅度更为接近实际情况。相对论内容中，引力对光线方向的改变量是万有引力等牛顿力学对光线方向改变量的二倍，这个结论具有普适性。不了解广义相对论，此时也无妨，只需要根据牛顿力学计算出来的光线方向改变量乘以二，就可以与实际相仿了。此时我们就把难懂的相对论化解成了牛顿力学，我们就比较容易理解引力透镜现象了。
图8 美国科学家绘制的引力透镜效果图
光线经过天体附近，会受到天体较为明显的引力作用，光线向天体方向靠拢，这个过程会导致光线的路程发生改变，也就是光线在天体附近被弯曲了。此时，天体或天体的引力作用类似于凸透镜，让经过天体附近的光线集聚起来，这就是引力透镜效应。
图9 美国科学家绘制的特殊情况下的引力透镜效果图。如果是特殊的位置或巧合的引力强度，引力透镜效应可以让天体产生这种环状分布的多个镜像。
图10 欧美科学家绘制的引力透镜效果图
图11 欧美科学家根据引力透镜技术得到的观测数据，加工绘制的引力透镜效果图。
引力透镜已经成为天体研究的重要工具，可以发现许多大质量天体，比如，一些黑洞。如果某个较小区域产生了明显的引力透镜效应，也就是引力透镜效应范围小而明显，说明这个区域的中心有一个大质量天体，这个天体就是较大质量的黑洞。如果某个较大区域产生了一定水平的引力透镜效应，说明这个区域分布着星系或星系团，如果这个区域并没有发现可见的星系或星系团，说明这个区域分布了一个完全由暗物质构成的星系或星系团。科学家竟然真的发现了一个这样的星系，几乎完全由暗物质组成的星系，并且根据细微的引力透镜效应绘制了这个暗物质星系的轮廓。
由于天文观测水平的极大提高，科学家可以区分细微的引力透镜效应，即光线弯曲的程度，这让科学家可以计算出充当引力透镜的天体质量。这为科学家计算天体质量提供了新的手段，也进一步促进了天文观测能力的提高。
通过引力透镜计算出的充当引力透镜天体的质量与通过天体系统的弥散速度而计算出的质量是一样的，都属于引力质量，引力透镜效应自然成为引力质量的另一个计算方法。这对更远距离的天体的引力质量计算极为重要，因为，距离我们太阳系越远，天体系统的相对运动速度或弥散速度就越不容易测量。因此，距离太阳系达到一定程度时，引力质量只能靠引力透镜效应来推算。可见，引力透镜效应这个天文观测手段是如此重要。
较远距离的天体系统的暗物质就是通过引力透镜效应估测的，引力透镜效应计算出天体系统的引力质量，根据光度或距离计算出光度学质量，引力质量与光度学质量之差就是暗物质质量。人们据此得到了丰富多彩的暗物质分布数据。
图12 科学家根据引力透镜效应，发现星系团CL0024+17内部存在一个暗物质圈，在这张哈勃太空望远镜相片里以蓝色显示出来。
图13 科学家通过引力透镜定位了这些聚集阿贝尔1689星系团的暗物质，在这张哈勃太空望远镜相片里以蓝色表示。
1.5初步寻找暗物质的过程
在暗物质逐渐被科学家关注之后，人们很乐观，觉得很快就能搞清楚暗物质。宇宙中不发光的天体多得是，隶属于恒星系统的行星或卫星就不发光，以及像地球这样大小的流浪星球都不发光。比行星大，比恒星质量小的褐矮星也很暗。这些不发光或很暗的天体因为距离遥远，在地球上观测不到，是很正常的。当然，还有质量明显比普通恒星大的黑洞，就更不发光了。
图14 美国的斯皮策太空望远镜以红外线观测为主，其发现的发出少量红光的褐矮星。我们银河系中的褐矮星的数量很有可能会超过发光的恒星的数量。
黑洞、中子星、褐矮星、白矮星、自由行星、甚至暗淡的红矮星，质量大致在0.00000001个太阳质量到100个太阳质量之间。晕族大质量致密天体（MACHO）是一些体积很小的大质量重子物质，没有或只有很少的电磁辐射，在星际空间不与恒星系统发生影响。晕族大质量致密天体自身不发光，所以很难被探测到，我们可以称之为暗天体。1980年代之后的相当长时间内，科学家们把暗物质锁定在了这种暗天体上。
如果暗物质就是这些暗天体，那么其质量应该是普通天体的五倍多，也就是说我们银河系中应该充斥着这种暗天体。但是由于这些天体太暗，无法用光学或者射电望远镜看到，所以，探测他们的主要方法就利用微引力透镜效应，这是更加灵敏的引力透镜探测方法。
利用星系整体作为引力透镜，星系质量巨大，背景光线弯曲效果明显，这就是引力透镜效应。单个天体质量就小多了，空间尺度也较小，用单个天体作为引力透镜，背景光线弯曲效果就不明显了，这样就称为微引力透镜效应。
质量不是太大的天体产生的引力效应对光线的方向影响是很微弱的，但这依然可以让光线集中（类似于透镜对光线的聚焦作用），这是微引力效应的重要结果。当暗天体在背景恒星前经过时，会让恒星的星光暂时增强，于是这颗恒星会看上去显得更明亮一些。根据这个现象，科学家们对距离银河星系较近的卫星星系，可以用肉眼看到的大麦哲伦星系与小麦哲伦星系中的恒星连续进行了几年的细致观测。
麦哲伦星系中的恒星发出的星光到达地球，要穿过银河系，银河系中的暗天体就会因为微引力透镜效应使得麦哲伦星云中恒星的亮度产生可以观测到的变化。但是，几年的观测结果显示，银河系中没有那么多的暗天体。
图15 欧美科学艺术家设想的黑洞图画，黑洞质量相当于太阳质量的几倍到几十亿倍，甚至更多倍，是一类质量跨度极大的天体。
由于黑洞级别的天体的引力透镜效果较为明显，按照我们现在的观测技术或观测水平，我们能通过引力透镜效应观测到被观测区域几乎所有可能隐藏的黑洞。因此，这些观测结果足以排除10倍太阳质量以上的暗天体是暗物质的主要成分的可能性。
通过微引力透镜效应，应该还没有达到可以观测到行星级别的天体的水平，这毕竟需要更灵敏地观测技术，暂时我们似乎还没有达到这个水平。太阳系之外的行星的发现也是近几十年的事情，都是通过行星轨道运行过程中，可以遮挡所在恒星系（太阳系）的恒星而产生恒星亮度的周期性变化，推测出行星的存在以及体积或质量或轨道半径的。似乎还没有通过微引力透镜方法推测出行星的或推测出行星级别的流浪天体的，也许未来可以这样做。不要说行星级别了，就是比行星质量高出一个数量级的褐矮星，也是通过红外光线波段望远镜观测到的，不是通过微引力透镜方法获得的。可见，微引力透镜效应确实是重要的天文观测方法，还有很大的发展空间。
科学家们一系列这样的努力探索行为，虽然结果不理想，但成绩还是有的。确实发现了一些暗天体，并且数量很壮观，虽然远没有预期多。这确实可以解决一部分暗物质问题，比如，甚至可以解决20%的暗物质问题。如果数据没有问题的话，确实成绩不小。这20%的暗物质比例，几乎相当于普通的可见物质总量了。其实，这是多么好的思路，只要认真观测，提高测量精度，确实可以进一步发现更多天体，也许真的可以从根本上解决暗物质问题。不过，科学家是耐不住性子的。八仙过海、各显神通，从多种角度提出了各式各样地解决暗物质的设想或方案，特别是那些理论物理学家们。
我总感觉暗物质是在打理论物理学家的脸，但理论物理学家们是从不介意的，并饶有兴趣地贡献自己奔放的大脑，天马行空设想层出不穷，打脸的事情变成了理论物理学家的盛宴。
粒子物理学家们产生了的极大兴趣，提出了暗物质的诸多猜想体系，其中的一个猜想叫做弱相互作用大质量粒子，简称为 WIMP。他们猜想暗物质是充满宇宙空间的一种微观粒子，这种粒子质量很大，但是却没有电磁效应或作用。到目前为止，尽管科学家们使用粒子加速器、地下暗物质探测器和专门设计的暗物质探测卫星搜索了几十年，但仍然没有找到它们存在的证据。
另一部分理论物理学家为了解决星系的环绕速度问题，修改了引力理论。修改后的理论虽然可以解决星系或星系群的引力问题，但是更大范围却力不从心了。这显示，这个路子也是失败了。
当然，还有各式各样的暗物质理论，几乎都付诸行动了，比如，各种灵敏试验或精细观测。结果，都是在接近成功时，或认为将要成功时，或认为大概率会成功时，失败了。
其实，真正部分解决暗物质问题的就是前面介绍的暗天体的寻找。这种枯燥的行为，似乎没有什么智力含量，引不起理论物理学家的兴趣。人们在这里似乎没有更多的努力，这也许是暗物质问题裹足不前的原因。
图16 斯皮策太空望远镜效果图，这是一个超期服役的红外线太空望远镜，将要退役。可以发现褐矮星这样的暗淡天体。
图17 詹姆斯·韦伯太空望远镜效果图，背景有些夸张，不符合实际情况。可以接替斯皮策的红外线观测任务，功能更为强大。
接替哈勃，已经进入太空的大口径韦伯望远镜，不仅可以看得更远，应该还可以看得更细。随着韦伯的使用，也许真的可以终结暗物质的困惑问题，其大概率会顺着暗天体这个路子解决暗物质问题。也许真的会让理论物理学家失望的，自己想得太多了。
1.6宇宙大尺度结构也需要暗物质的存在
图18 NASA科学家绘制的宇宙物质分布示意图，宇宙整体物质分布均匀，没有侧重于哪个方向或哪个区域，但是局部物质集中。
宇宙大尺度物质分布整体均衡，局部集中的物质分布状况也需要暗物质的存在。物质局部集聚，整体均衡分布的宇宙大尺度结构的形成，也显示无碰撞的低速暗物质粒子在引力作用下逐步聚集成团，这一过程能形成我们今天看到的大尺度结构。这些结构的暗物质分布具备普适的质量分布。低速运动的暗物质有利于大尺度结构的形成，而高速运动的粒子趋向于抹平结构，也就是说高速运动的运动物质粒子难以集聚。因此不支持中微子作为主要的暗物质粒子候选者。
中微子速度快，几乎接近光速了，这样的速度不可能被星系或星系团的万有引力束缚住。因此，如果宇宙中的暗物质以中微子为主的话，其物质分布会是格外分散的，也就形不成集聚性了。也就是说，形不成物质的局部集中了，天体系统就不容易形成了。暗物质对可见物质形成天体系统是大有帮助的，比如，大大加速了可见物质形成天体系统。没有暗物质的帮助，可见物质依然可以形成天体，只是需要耗费更长时间，并且形成的天体系统的规模也会比现在的小许多。我们的宇宙面貌应该就不是我们现在见到的样子了。可见，暗物质对我们现在宇宙面貌的形成，起着很大作用，即起着加速、加大的作用。
现在的情况是我们宇宙需要暗物质，并且是低速运动的暗物质。没有暗物质或高速运动的暗物质对我们可见宇宙的演化影响是微弱的。因此，我们需要低速运动的暗物质，而实际情况也基本如此。
低速运动也就是每秒几百千米左右，往往不超过上千千米每秒。这样的速度，也是可见物质的普遍速度。比如，星系内部的恒星环绕速度往往在上百千米到几百千米之间，星系之间的相对速度也基本如此。恒星系统内部的环绕速度只是几十千米每秒。因此，几百千米每秒的速度几乎是宇宙内部天体的普适速度，也是暗物质的普适速度。这样的速度可以让暗物质在引力作用下汇集起来，集聚成团。
由于暗物质之间没有碰撞，因此，暗物质的汇集程度没有可见物质集聚程度大。暗物质无法像可见物质那样汇集成质量稠密的天体，因为这样的质量稠密的天体都是通过物质碰撞来实现的。比如，没有物质碰撞就没有我们的地球，也不会有我们太阳这样的天体，自然不会有质量更大的黑洞。因此，暗物质都是分散在更大的空间内，比如分散在星系的中部或外部及边缘区域。星系之间的广袤空间也可以分布暗物质，暗物质既有集聚性，又相对分散。也就是说，暗物质在宇宙中具有一定的集聚性，不是哪里都有的！但又有相对的分散性，在暗物质集聚区域，暗物质的空间分布几乎是均匀分布的。这是与普通物质的重要区别。
比如在银河系的外部或边缘区域，暗物质几乎均匀地分布在这个空间中，其平均分布密度是可见物质的几倍。可见物质虽然平均分布密度小，但是相对尤为集中，形成了一个个物质稠密的天体。
1.7倾向于暗物质存在的其他证据
通过星系团观测得到的倾向性证据。星系团的引力质量分布可以通过三种不同的手段得到：一是观测星系团中的星系的运动速度，通过引力理论计算得到。这个我们前面介绍了。二是利用引力透镜效应，根据背景光线的弯折程度，推算出星系团中物质的分布。前面我们也专门介绍了。
三是观测星系团产生的X射线。星系团中普遍存在能发射出X射线的炽热气体，当炽热气体在星系团引力场中达到流体力学平衡后，可通过其温度推测出星系团的质量分布。
这三种推算星系质量的方法都属于引力质量，再加上光度学质量，就有四种推算星系质量的方法了。当然，光度学质量与引力质量差异较大，这就是我们本书研究的核心内容。
炽热气体是高速运动的，其中的部分气体（粒子）可以逃逸出星系团。此时，星系团的质量决定着高速运动的炽热粒子的逃逸情况。星系团质量越大，引力作用就越强，束缚能力就越强大，逃逸掉的高速运动粒子就越少。结果是，星系团中的炽热气体的温度就越高。也就是说，星系团质量最终决定了星系团中炽热气体的温度，反之，根据星系团中炽热气体的温度就可以知道星系团的质量。能发出X射线的炽热气体，早已经电离，粒子化了，可以称为炽热粒子团。
这三种推算星系团或星系质量的方法互不影响，相互佐证，使得星系团观测成为研究暗物质的重要手段。这些观测一致表明星系团中物质的总质量远超出其中可见物质的总质量。
通过宇宙微波背景辐射数据，感受暗物质的存在。在宇宙尺度上，通过对宇宙中微波背景辐射各向异性的精细观测，可以确定出宇宙中暗物质的总量。观测表明宇宙总能量的26.8%由暗物质贡献，构成天体和星际气体的常规物质只占4.9%，其余68.3%为推动宇宙加速膨胀的暗能量。
这个内容相对比较玄乎一些，似乎不太好理解。我们不管暗能量概念，我们只讨论暗物质。宇宙大爆炸之后，在电磁力出现以后，那时的宇宙温度极高，也就是粒子运动速度极大，电磁作用辐射出的都是伽马射线，即频率最强的电磁波。
图19 来自WMAP卫星官网的宇宙演化示意图，最左边就是微波背景辐射，横轴属于时间轴，时间是由左向右前进。右边物质逐渐演化成星系，物质趋向星系化，即星系物质占据宇宙总物质的比例随着时间逐渐增大。
随着宇宙大爆炸的进行，扩展的宇宙，物质分布密度逐渐下降，引力场强度逐渐下降。在引力场中运行的光线的频率也跟着逐渐下降，这就是光线在引力场中的红移。此时，大家不要想那么多，不要想黑洞效应。也许那时的宇宙就是一个超级大黑洞，光线在黑洞里面运行应该还是可以的。
宇宙半径每膨胀一倍，物质分布密度就平均下降到之前的八分之一。引力场强度也下降到之前的四分之一，宇宙最初辐射的伽马射线频率会有极大幅度下降。也就是伽马射线引力红移主要发生在宇宙初始膨胀的阶段。后来，随着引力场强度的逐渐下降，光线红移速度也跟着更大幅度下降。也就是光线频率下降幅度远超引力场强度下降幅度。
到现在，最初的伽马射线已经红移成微波辐射了，这就是宇宙微波背景辐射。我们讨论宇宙问题的时候，大家不要想那么多，要脑洞大开，只管其一，不管其余，这是讨论宇宙问题的捷径。这似乎也显示人类知识的悲哀，没办法，暂时确实欠佳。
从上面的分析过程中，我们可以看到，宇宙微波背景辐射由宇宙物质总量决定。只有达到一定的宇宙物质总量，才可以达到我们现在测量的宇宙微波背景辐射频率。也就是宇宙物质总量决定伽马射线的红移水平，我们可以通过现在测量的宇宙微波背景辐射频率，反推宇宙的物质总量。结果是，依然需要大量暗物质的存在，这自然让宇宙微波背景辐射成为倾向于暗物质存在的证据之一。
图20 来自WMAP卫星官网的宇宙演化示意图
