现代宇宙学认为，我们所处的宇宙普通物质只占约5%，剩下是由暗能量、暗物质组成。尽管我们无法直接目睹暗物质的 “真容”，但大量的天文观测却表明，暗物质不仅真实存在，而且在宇宙的演化和结构形成中扮演着举足轻重的角色。那么，天文学家们是如何知晓宇宙中有这么多暗物质的呢？下面是一些暗物质的观测证据。
星系旋转曲线：打破常规的速度之谜
1970年，天文学家鲁宾（V. Rubin）和福特（K. Ford）测量并绘制出了仙女星系的旋转曲线。他们发现，星系旋转曲线在远距离处会趋于平坦，就像下图的白色曲线所示。而根据星系中的可见物质质量分布，通过引力理论计算出的星系旋转曲线却是图中红色曲线。理论值与实际测量值在远距离处存在非常大的分歧，反映出离星系中心较远的恒星的实际运动速度比根据可见物质质量推导出的理论速度要快很多。天文学家们发现大多数星系的旋转曲线测量值都会在远距离处远大于理论值。这意味着什么呢？根据高中物理知识，天体旋转的轨道半径相同时，转速越快，就需要越强的引力作为向心力来将天体束缚住。所以，如果星系的引力仅由可见物质提供，那么在星系外围只有符合红色曲线预言的低速运动的恒星才能被束缚在星系中，那些高速运动的恒星将会由于离心作用而被甩出星系。显然，这种情况并没有发生，高速运动的恒星也切实地被稳定束缚在星系之中。这一现象该如何解释呢？唯一合理的推测是，星系中存在着大量我们看不见的物质，这些物质产生的额外引力使得恒星能够以如此高的速度旋转而不被甩出星系。
星系旋转曲线示意图（图片来源：earthsky.org）资料参考来源：科普中国《看不见摸不着，却掌控宇宙演化的神秘物质到底是什么？》作者：王清扬（中国科学院大学理论物理博士）
引力透镜效应：光线扭曲揭示的神秘力量
根据广义相对论，大质量天体会弯曲其周围的时空，导致光线也随之弯曲。当遥远星系发出的光线经过大质量天体附近时，光线会发生偏折，就好像经过了一个巨大的透镜一样，这种现象被称为引力透镜效应。
在一些星系团中，科学家观测到了强烈的引力透镜现象，如爱因斯坦环、巨弧等。这些奇特的光学现象表明，在星系团中存在着大量看不见的物质，正是这些暗物质的强大引力，使得光线发生了显著的弯曲。引力透镜效应不仅为我们提供了一种探测暗物质的有效手段，还让我们能够通过观测光线的扭曲程度，来推断暗物质在宇宙中的分布情况。
由哈勃望远镜拍摄到的引力透镜（环状结构，它们就是因引力而发生偏折的光线）图片来源：NASA
宇宙微波背景辐射：大爆炸余晖中的暗物质印记
宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background, CMB）是宇宙大爆炸的余晖，为研究早期宇宙的物理过程提供了关键证据。通过对宇宙微波背景辐射的精确测量，科学家们发现，其中的温度波动模式与计算机模拟的暗物质分布模型高度吻合。
在宇宙早期，物质分布并非完全均匀，存在着微小的密度涨落。暗物质在引力的作用下率先聚集，形成了物质分布的 “骨架”，普通物质随后在暗物质的引力势阱中逐渐聚集，最终形成了恒星、星系和星系团等结构。宇宙微波背景辐射中的温度涨落，正是这些早期物质分布不均匀性的反映。这一观测结果有力地支持了暗物质在宇宙结构形成中起到关键作用的观点。
大尺度结构形成：构建宇宙之网的隐形力量
在宇宙的大尺度结构中，星系的分布呈现出一种错综复杂的网状结构，被称为 “宇宙网”。星系如同宇宙网上的节点，通过巨大的丝状结构相互连接。研究表明，
如果没有暗物质的存在，宇宙难以形成如此复杂而有序的大尺度结构。计算机模拟结果显示，当在模型中加入适量的暗物质时，模拟出的宇宙大尺度结构与实际观测结果高度一致。这进一步证明了暗物质在宇宙演化过程中扮演着不可或缺的角色，它是构建宇宙之网的隐形力量。
星系旋转曲线、引力透镜效应、宇宙微波背景辐射以及大尺度结构形成的观测证据，从不同角度、不同尺度上共同指向了暗物质的存在，它们相互补充、相互印证，为暗物质理论提供了坚实的基础。暗物质广泛存在于宇宙之中，虽然我们无法直接看到它，但它的引力效应却无处不在，深刻地影响着宇宙的过去、现在和未来。
