银河系80%那些我们看不见的大多数，到底藏着什么秘密？
昨晚我陪儿子在小区的空地看星星,小家伙突然问我：“爸，书上说银河系有几千亿颗恒星，那我们能看到的星星有多少？”我说就几千颗吧，他愣住了，接着问：“那剩下的呢？我看不见的那些，都在哪儿？”
这个问题,其实也是天文学家追问了几十年的难题，我们今天就来聊聊这个“剩下的”——它牵涉到一个数据，就是银河系大约80%的质量，我们根本看不见。
80%这个数字，是怎么被“称”出来的？
你可能会想,看不见的东西，怎么知道它存在？这就好比你看不到风，但看到树叶摇晃就知道风来了，天文学家的“树叶”，是星系旋转的速度。
20世纪70年代,一位叫薇拉·鲁宾的女天文学家做了一件了不起的事，她观测了像仙女座大星系这样的漩涡星系，测量不同位置的恒星绕着星系中心跑的速度，按照我们学过的牛顿引力定律，离星系中心越远的恒星，得到的引力应该越小，旋转速度就该越慢才对——就像太阳系里，海王星跑得就比地球慢得多。
但结果完全出乎意料：那些在星系外围的恒星，跑得居然和中心附近的恒星一样快，这意味着什么？意味着整个星系被大量看不见的物质包裹着，是这些物质提供了额外的引力，把外围恒星死死拽住，我之前看过《天文学与天体物理学年评》上的一篇综述，里面说得清楚：这些看不见的物质，质量至少是可见物质的5到6倍。
也就是说，我们眼里的恒星、星云、尘埃，所有这些闪闪发光的东西，只是银河系的零头，那大约80%的质量，属于一种我们至今没直接探测到的东西。
这个“东西”有个听起来平平无奇的名字——暗物质。
暗物质不是“一团黑”，而是根本“摸不着”
先澄清一个容易混淆的点,你抬头看银河，能看到很多黑黑的带状区域，那是星际尘埃挡住了后面的星光，这些尘埃是普通物质，只是不发可见光而已，用红外望远镜一眼就能看穿。
但我们说的暗物质,比这个“黑”要彻底得多，它根本不参与电磁相互作用，什么意思？
- 它不发光： 你想用望远镜看它，没门。
- 它不挡光： 它就那么穿透过去，像透明的一样。
- 它也不反射光： 光打在它身上毫无反应。
这意味着,构成你我身体的这种普通物质——质子和中子组成的“重子物质”——跟暗物质几乎是两个世界的东西，它们之间唯一能沟通的桥梁，可能就是我们都学过的引力，暗物质有质量，所以它会施加引力作用，这让它能聚集成团，形成巨大的“暗物质晕”，而我们的银河系，包括太阳和地球，就沉浸在这个巨大的暗物质晕里，像果肉悬浮在透明的果冻中。
我们怎么“画”出看不见的东西？
既然看不见也摸不着,天文学家怎么知道暗物质晕长什么样？这里要用到一个很妙的办法——引力透镜。
爱因斯坦的广义相对论告诉我们,大质量物体会把它周围的时空压弯，光经过这里时，就会像经过一个透镜一样发生偏折，这就好比你隔着不平整的老玻璃看窗外的树，树的形状会扭曲，当天文学家看到遥远星系的图像被莫名地拉长、扭曲甚至形成多重影像时，他们就知道，在视线前方一定存在着一个巨大的质量团块——哪怕它本身完全看不见。
这几年,欧洲空间局的盖亚卫星帮了大忙，它精确测量了银河系内十几亿颗恒星的运动轨迹，通过分析这些恒星运动数据，天文学家能反推出银河系的引力场分布，这相当于给那个看不见的暗物质晕画了张像，最新的数据显示，它不是一个完美的球形，更像一个有点扁、甚至带着些子结构的巨大椭球体。
那剩下的20%里，藏着我们自己的故事
聊完那神秘的80%，我们再回头看看这“微不足道”的20%，你会发现，这20%本身，也足够惊人了。
银河系的可见物质总质量大约有几千亿个太阳质量,这里面，恒星和星团占了绝大部分，而其中一些最古老的恒星，年龄几乎和宇宙本身一样老——超过130亿岁，你可能会好奇，这些恒星是怎么分布的？
| 银河系结构 | 主要成分 | 大致直径 |
|---|---|---|
| 银心黑洞 | 超大质量黑洞（人马座A*） | 约4400万公里 |
| 核球 | 老年恒星、气体 | 约1万光年 |
| 银盘（含旋臂） | 各年龄段恒星、星云、尘埃 | 约10万光年 |
| 银晕 | 球状星团、年老恒星 | 超过10万光年 |
在这些可见结构里,占质量大头的还不是恒星，而是漂浮在星系内部和周围的大量气体——尤其是氢气，有些气体被引力拉拽着坍缩，就形成了新的恒星，可以说，这看得见的20%，是一个活的、动态的生态系统。
就拿我们太阳来说,它现在正带着地球，以每秒大约220公里的速度在银盘里狂奔，你能安稳地坐在这里看这篇文章，是因为整个太阳系被银河系这整片巨大的“引力森林”稳稳地托举着，而这片森林的根，正是那难以捉摸的暗物质晕，没有它，银河系早就在高速旋转中散架了。
我们身体里的每一个碳原子、氧原子，都是在恒星内部熔炉里锻造出来的，恒星死亡后，通过超新星爆发把这些元素抛洒到宇宙空间，星尘聚集成行星，然后在某个小石头上，在合适的温度和水分的催化下，又形成了能自我复制的分子结构，你想想，我们不仅是星尘，我们更是那20%可见的、绚烂宇宙故事的亲历者和讲述者。
话说回来,对于暗物质的搜寻，现在全世界有好几个顶尖实验正在进行，比如中国的锦屏地下实验室，就在地下2400米深处，用高纯度锗晶体静静等待暗物质粒子可能撞出的那一点点微弱信号，虽然至今还没抓到确凿的证据，但每次看到这些进展，我都会想起儿子那个问题，也许有一天，他或者他的孩子，能真正解答剩下的那大部分宇宙是什么，而这寻找答案的过程，大概就是天文学最迷人的地方吧。