〈第八章 暗宇宙〉
若人類踏上宇宙之旅，將會邂逅絕美景致：環繞恆星的璀璨世界、孕育新恆星的巨大氣塵柱、螺旋與橢圓交織的星系漩渦，以及重力強大到無路可逃的黑洞深淵。我們曾以為這些奇景必然就是宇宙史詩的主軸，但二十世紀最令人震驚的發現之一便是：事實並非如此。
上世紀的科學演進雖然強化了人類對世界的瞭解與掌控，卻也同時揭穿人類多麼無知，尤其某些巨大未知特別令人困惑，比如我們不得不承認至今一切推論都只是宇宙極小一部分，因為宇宙整體竟有高達百分之九十五的成分尚未進入人類視野。
為了理解所處世界、看清宇宙一隅，我們已經付出許多世代的努力，可是所得成果似乎只能觸及皮毛。當然每個時期的人類都難免傲慢，自以為實現了知識飛躍，畢竟只能以過去的積累來評價當下的成就。可是如今面對的現實格外殘酷，原來構成你我、構成所有可見結構的成分，包括夜空中所有恆星、享受太陽溫暖的行星、綿延到想像之外的星河在內，全部加起來也不過佔了宇宙的百分之五，其餘百分之九十五至今仍不為人所知。針對這片未知，目前最佳推測是超過百分之二十五由尚未發現的物質形式組成，科學家將其稱為「暗物質」（dark matter）。另外百分之七十之多都是一種能與重力抗衡的力量，稱之為「暗能量」（dark energy）。作為目前已知最重要的未知，這對隱形組合主宰了宇宙景觀、協調宇宙運作卻虛無縹緲。發現它們的故事、對它們身分的猜測廣為流傳，但真相是人類對暗物質和暗能量仍舊知之甚少。
質量不足
一九三〇年代初，來自瑞士的天文學家弗里茨．史維基（Fritz Zwicky）在加州理工學院擔任研究員，可以使用當時世上最大望遠鏡，也就是威爾遜山天文臺的一百英吋胡克望遠鏡。不過十年之前，愛德溫．哈伯剛用它證明了宇宙中還有別的星系。三億多光年外的后髮座有逾千個星系組成的星系團，它們像個緊密家族般在空間中同進退。史維基非常好奇重力如何將一千多個星系綁在一起，於是運用望遠鏡前所未有的集光效能觀察后髮座深處及其內部星系，測量了亮度和速度。透過亮度可以推算星系團包含的質量，透過速度則可以計算星系團需要多少總質量才能以重力束縛住所有星系。
得到數據之後，史維基發現了很大的問題：星系移動得非常快速，然而從可見發光物質推算出的質量不足以束縛它們。既然星系速度很快，星系團靠什麼來保持完整？考慮各種因素，尤其沒有足夠質量和重力，缺乏凝聚力的星系團早該分崩離析。史維基提出的合理推論是有看不見的物質施加足夠重力維護星系團完整性，最初他將這種假設物質稱為「Dunkle Materie」，意思就是黑暗的物質——不會發光、對望遠鏡隱形的團塊。
史維基性格古怪、脾氣暴躁出了名，據說易怒傲慢的他戲稱加州理工學院的同事是「球形的混蛋」，意思是「從任何角度看」都同樣討厭。或許正因如此，加上缺乏額外觀測證據，「隱形物質維繫星系」這個想法被埋沒很長時間。四十年後史維基早已辭世，這個想法卻在科學界重新浮現，且以相當響亮且有力的方式回歸。
薇拉．魯賓
一九二八年生於費城的薇拉．魯賓（Vera Rubin）從小充滿好奇心，深深著迷於周遭的奇景與天空的壯麗。她回憶自己曾被月光吸引，驅車從祖母住處回家時月亮一路陪伴，「灌木、樹木、甚至遠方的山峰都到了背後，只有月亮穩穩地懸在車窗外」，她不禁思索：「月亮怎麼知道我們要回家？」許多人長大後便失去了這份童真，但魯賓卻將好奇延續下去，在天文學界活出精彩人生。
九歲時她們全家遷往華盛頓特區，與姊姊共用的房間正好能清晰眺望北方天空。然而那個年代，能探索天空的似乎只有一個性別——天文學領域幾乎沒有女性。儘管父母支持，還是有許多人勸阻她投身科學事業，甚至建議「繪製天文物體」或許才是合適的工作。後來魯賓回憶往事時始終感到沮喪，她的高中物理老師「將科學發現分為兩種，一種需要聰明才智（舉的例子全是男性），另一種不需要頭腦、只需要勤奮（例子是居禮夫人）」。
儘管受到打擊，她仍堅持不懈，取得了瓦薩學院（Vassar College）獎學金。畢業後她與同為科學家的羅伯特．魯賓（Robert Rubin）結婚，隨丈夫前往康乃爾大學攻讀研究所，一九五四年又在喬治城大學得到博士學位。在喬治城大學任教十年後，她育有四名年幼子女，他們日後都追隨父母的腳步投身科學研究。一九六五年，薇拉．魯賓跳槽到卡內基研究所。當時的大型天文臺如威爾遜山與帕洛馬幾乎都是男性主導，連居住區都被戲稱是「修道院」，意思是這個冥想空間能讓男性天文學家不受家庭打擾，盡情沉浸於宇宙探索。或許觀測天文學界最初的確缺乏女性參與，但後來竟以這種理由徹底排除女性。
一九五〇年代，女性申請卡內基獎學金或請求使用望遠鏡時常遭拒，理由多半推搪給住宿與相關設施不足。魯賓的同事瑪格麗特．伯比奇（Margaret Burbidge）以證明恆星核心合成重元素聞名，但她能去威爾遜山做觀測，僅僅是因為丈夫拿了卡內基獎學金，願意在分配到的望遠鏡使用時間中帶妻子同行。魯賓回憶一九六四年國際天文學聯合會的漢堡會議上，艾倫．桑德奇（Allan Sandage）問她要不要去帕洛馬天文臺使用卡內基望遠鏡。那座天文臺當年禁止女性進入。「我當然答應了。」她成為首位合法使用帕洛馬望遠鏡的女性。數十年後，第一座以女性命名的天文臺就是為了紀念魯賓。她也是時隔一百六十八年，繼卡洛琳．赫歇爾之後首位獲頒皇家天文學會金獎章的女性。
旋轉的星系
一九六八年，魯賓突破了當時的社會與性別困境，在節奏越來越快、競爭越來越激烈的天文學領域發表了許多論文。她希望能在爭議較少的環境中按自己步調工作，於是決定將注意力轉向測量星系中的恆星速度，第一個目標是仙女座，因為儘管先前已有研究但儀器精度較差。
天文學家肯特．福特（Kent Ford）設計了一種儀器，能放大望遠鏡收集的光線，可說是開放了過往無法觀測的星系區域。魯賓與福特合作，全面觀測仙女座星系的不同區域，並以前所未有的清晰度測量恆星圍繞中央旋轉的速度。仙女座距離我們二百五十萬光年，以星系而言是地球最近的鄰居，因此也是這項研究的絕佳對象。它在天上顯得龐大，橫跨三度，因此星系的每個區域都能單獨觀測，也能分區繪製「速度圖譜」。
幾個世紀之前，克卜勒已經發現並解釋過行星公轉速度隨著靠近太陽而增加。太陽引力隨距離減弱，行星距離越遠速度就得越慢，否則不會停留在軌道上。我們預期其他星系表現出相同行為模式：恆星在密度較高、引力較大的星系中央區域會移動得較快，到了稀疏郊區就會放慢速度。
然而，魯賓觀測到的結果截然不同。與預期相反，無論位於仙女座星系的外圍旋臂還是中心區域，恆星公轉的速度一樣快。她觀察到「平坦的旋轉曲線」，也就是說無論恆星距離星系中央多遠都保持相對穩定的速度。而且這個特徵不只出現在仙女座星系，魯賓重複測量二十一個與地球距離各異的星系都發現這種違背理論的模式。數據透露的事實是：星系不照人類預期運作。
該如何詮釋這個現象？是數十年前史維基為解釋后髮座謎團而提出的「隱形物質」嗎？高速旋轉的恆星群是否被範圍遠超可見星系的巨大暗物質暈（dark matter halo）包覆，而暗物質質量是否又遠高於人類能觀測的部分？暗物質暈引力能否解釋星系外圍那群恆星的驚人速度？
若人類踏上宇宙之旅，將會邂逅絕美景致：環繞恆星的璀璨世界、孕育新恆星的巨大氣塵柱、螺旋與橢圓交織的星系漩渦，以及重力強大到無路可逃的黑洞深淵。我們曾以為這些奇景必然就是宇宙史詩的主軸，但二十世紀最令人震驚的發現之一便是：事實並非如此。
上世紀的科學演進雖然強化了人類對世界的瞭解與掌控，卻也同時揭穿人類多麼無知，尤其某些巨大未知特別令人困惑，比如我們不得不承認至今一切推論都只是宇宙極小一部分，因為宇宙整體竟有高達百分之九十五的成分尚未進入人類視野。
為了理解所處世界、看清宇宙一隅，我們已經付出許多世代的努力，可是所得成果似乎只能觸及皮毛。當然每個時期的人類都難免傲慢，自以為實現了知識飛躍，畢竟只能以過去的積累來評價當下的成就。可是如今面對的現實格外殘酷，原來構成你我、構成所有可見結構的成分，包括夜空中所有恆星、享受太陽溫暖的行星、綿延到想像之外的星河在內，全部加起來也不過佔了宇宙的百分之五，其餘百分之九十五至今仍不為人所知。針對這片未知，目前最佳推測是超過百分之二十五由尚未發現的物質形式組成，科學家將其稱為「暗物質」（dark matter）。另外百分之七十之多都是一種能與重力抗衡的力量，稱之為「暗能量」（dark energy）。作為目前已知最重要的未知，這對隱形組合主宰了宇宙景觀、協調宇宙運作卻虛無縹緲。發現它們的故事、對它們身分的猜測廣為流傳，但真相是人類對暗物質和暗能量仍舊知之甚少。
質量不足
一九三〇年代初，來自瑞士的天文學家弗里茨．史維基（Fritz Zwicky）在加州理工學院擔任研究員，可以使用當時世上最大望遠鏡，也就是威爾遜山天文臺的一百英吋胡克望遠鏡。不過十年之前，愛德溫．哈伯剛用它證明了宇宙中還有別的星系。三億多光年外的后髮座有逾千個星系組成的星系團，它們像個緊密家族般在空間中同進退。史維基非常好奇重力如何將一千多個星系綁在一起，於是運用望遠鏡前所未有的集光效能觀察后髮座深處及其內部星系，測量了亮度和速度。透過亮度可以推算星系團包含的質量，透過速度則可以計算星系團需要多少總質量才能以重力束縛住所有星系。
得到數據之後，史維基發現了很大的問題：星系移動得非常快速，然而從可見發光物質推算出的質量不足以束縛它們。既然星系速度很快，星系團靠什麼來保持完整？考慮各種因素，尤其沒有足夠質量和重力，缺乏凝聚力的星系團早該分崩離析。史維基提出的合理推論是有看不見的物質施加足夠重力維護星系團完整性，最初他將這種假設物質稱為「Dunkle Materie」，意思就是黑暗的物質——不會發光、對望遠鏡隱形的團塊。
史維基性格古怪、脾氣暴躁出了名，據說易怒傲慢的他戲稱加州理工學院的同事是「球形的混蛋」，意思是「從任何角度看」都同樣討厭。或許正因如此，加上缺乏額外觀測證據，「隱形物質維繫星系」這個想法被埋沒很長時間。四十年後史維基早已辭世，這個想法卻在科學界重新浮現，且以相當響亮且有力的方式回歸。
薇拉．魯賓
一九二八年生於費城的薇拉．魯賓（Vera Rubin）從小充滿好奇心，深深著迷於周遭的奇景與天空的壯麗。她回憶自己曾被月光吸引，驅車從祖母住處回家時月亮一路陪伴，「灌木、樹木、甚至遠方的山峰都到了背後，只有月亮穩穩地懸在車窗外」，她不禁思索：「月亮怎麼知道我們要回家？」許多人長大後便失去了這份童真，但魯賓卻將好奇延續下去，在天文學界活出精彩人生。
九歲時她們全家遷往華盛頓特區，與姊姊共用的房間正好能清晰眺望北方天空。然而那個年代，能探索天空的似乎只有一個性別——天文學領域幾乎沒有女性。儘管父母支持，還是有許多人勸阻她投身科學事業，甚至建議「繪製天文物體」或許才是合適的工作。後來魯賓回憶往事時始終感到沮喪，她的高中物理老師「將科學發現分為兩種，一種需要聰明才智（舉的例子全是男性），另一種不需要頭腦、只需要勤奮（例子是居禮夫人）」。
儘管受到打擊，她仍堅持不懈，取得了瓦薩學院（Vassar College）獎學金。畢業後她與同為科學家的羅伯特．魯賓（Robert Rubin）結婚，隨丈夫前往康乃爾大學攻讀研究所，一九五四年又在喬治城大學得到博士學位。在喬治城大學任教十年後，她育有四名年幼子女，他們日後都追隨父母的腳步投身科學研究。一九六五年，薇拉．魯賓跳槽到卡內基研究所。當時的大型天文臺如威爾遜山與帕洛馬幾乎都是男性主導，連居住區都被戲稱是「修道院」，意思是這個冥想空間能讓男性天文學家不受家庭打擾，盡情沉浸於宇宙探索。或許觀測天文學界最初的確缺乏女性參與，但後來竟以這種理由徹底排除女性。
一九五〇年代，女性申請卡內基獎學金或請求使用望遠鏡時常遭拒，理由多半推搪給住宿與相關設施不足。魯賓的同事瑪格麗特．伯比奇（Margaret Burbidge）以證明恆星核心合成重元素聞名，但她能去威爾遜山做觀測，僅僅是因為丈夫拿了卡內基獎學金，願意在分配到的望遠鏡使用時間中帶妻子同行。魯賓回憶一九六四年國際天文學聯合會的漢堡會議上，艾倫．桑德奇（Allan Sandage）問她要不要去帕洛馬天文臺使用卡內基望遠鏡。那座天文臺當年禁止女性進入。「我當然答應了。」她成為首位合法使用帕洛馬望遠鏡的女性。數十年後，第一座以女性命名的天文臺就是為了紀念魯賓。她也是時隔一百六十八年，繼卡洛琳．赫歇爾之後首位獲頒皇家天文學會金獎章的女性。
旋轉的星系
一九六八年，魯賓突破了當時的社會與性別困境，在節奏越來越快、競爭越來越激烈的天文學領域發表了許多論文。她希望能在爭議較少的環境中按自己步調工作，於是決定將注意力轉向測量星系中的恆星速度，第一個目標是仙女座，因為儘管先前已有研究但儀器精度較差。
天文學家肯特．福特（Kent Ford）設計了一種儀器，能放大望遠鏡收集的光線，可說是開放了過往無法觀測的星系區域。魯賓與福特合作，全面觀測仙女座星系的不同區域，並以前所未有的清晰度測量恆星圍繞中央旋轉的速度。仙女座距離我們二百五十萬光年，以星系而言是地球最近的鄰居，因此也是這項研究的絕佳對象。它在天上顯得龐大，橫跨三度，因此星系的每個區域都能單獨觀測，也能分區繪製「速度圖譜」。
幾個世紀之前，克卜勒已經發現並解釋過行星公轉速度隨著靠近太陽而增加。太陽引力隨距離減弱，行星距離越遠速度就得越慢，否則不會停留在軌道上。我們預期其他星系表現出相同行為模式：恆星在密度較高、引力較大的星系中央區域會移動得較快，到了稀疏郊區就會放慢速度。
然而，魯賓觀測到的結果截然不同。與預期相反，無論位於仙女座星系的外圍旋臂還是中心區域，恆星公轉的速度一樣快。她觀察到「平坦的旋轉曲線」，也就是說無論恆星距離星系中央多遠都保持相對穩定的速度。而且這個特徵不只出現在仙女座星系，魯賓重複測量二十一個與地球距離各異的星系都發現這種違背理論的模式。數據透露的事實是：星系不照人類預期運作。
該如何詮釋這個現象？是數十年前史維基為解釋后髮座謎團而提出的「隱形物質」嗎？高速旋轉的恆星群是否被範圍遠超可見星系的巨大暗物質暈（dark matter halo）包覆，而暗物質質量是否又遠高於人類能觀測的部分？暗物質暈引力能否解釋星系外圍那群恆星的驚人速度？
