洗衣机脱水时，湿衣服会紧紧贴住筒壁。转速越高，需要的向心力越大；筒壁一撤，衣服就沿切线飞出去。星系里的恒星也在做同一件事：绕中心转得越快，需要的引力越强。1970 年代，天文学家把测量推到星系外缘，发现那里转得一点都不慢，而那里几乎没有发光物质。
螺旋星系外缘的旋转速度保持在约 200 km/s 的量级，不随半径下降；按可见恒星和气体的质量算，速度应随半径按 r 的负二分之一次方衰减。补上这个缺口需要约 5 倍于重子物质的质量，且分布在一个近乎球形的暗晕里。暗物质占宇宙能量约 26.5%，粒子身份至今未知。
平坦的旋转曲线，意味着质量还在往外增加
圆轨道上，速度平方等于引力常数乘半径内的总质量，再除以半径。速度恒定，就意味着半径内的质量与半径成正比。
这条推论很硬：从 10 千秒差距到 30 千秒差距，可见的星光衰减了十几倍，质量却还得继续往外加。加进去的东西只能是不发光的。
这不是一两个星系的异常，是系统性的
1970 年，Rubin 与 Ford 用光谱测了 21 个 Sc 型星系的旋转曲线，多数在外围保持平坦。1972 年前后，射电观测用中性氢 21 厘米线把测量推到光学盘之外，形状还是平的。
此后几十年，几百个星系的测量给出同一张图。样本一大，「个别星系被扰动」这条解释就站不住了。
替代解释不是没有，但都撞上了别的墙
修改引力（MOND）在星系尺度上拟合得相当好，不需要额外质量。代价出现在更大尺度：星系团里的成员星系速度弥散仍然偏高，需要额外的不可见质量。
子弹团提供了更直接的证据：X 射线测到的热气体在碰撞中被减速，留在了中间，而引力透镜测到的质量中心已经跑到前面。两种物质分开了，说明大部分质量不跟着气体走。
微波背景的第三声学峰高度也要求暗物质存在。三条独立线索指向同一件事。
候选粒子排了一长队，一个都没抓到
弱相互作用大质量粒子（WIMP）、轴子、惰性中微子、原初黑洞，都在名单上。地下实验用液氙或液氩寻找原子核的反冲，至今没有确证信号，自旋无关截面的上限已经压到 10⁻⁴⁸ cm² 量级。
这不等于暗物质不存在，只说明它的相互作用比早期预期更弱，或者质量不在扫描窗口里。
| 参数 | 数值 | 口径与来源 |
|---|---|---|
| 太阳附近轨道速度 | 约 220 km/s | 银河系动力学测量 |
| 银河系总质量 | 约 1×10¹² 倍太阳质量 | 旋转曲线与卫星动力学 |
| 暗物质能量占比 | 约 26.5% | Planck 2018 |
| 重子物质占比 | 约 4.9% | Planck 2018 |
| 直接探测截面上限 | 约 10⁻⁴⁸ cm² 量级 | XENONnT、LZ 近年结果 |
| 太阳附近暗物质密度 | 约 0.01 倍太阳质量每立方秒差距 | 旋转曲线拟合 |
哪些是观测，哪些还是推断
常见问题
不会。普通物质会吸收和发射光，微波背景与轻元素丰度已把重子总量限定在约 4.9%，剩下的缺口不是「太暗」能解释的。
在星系尺度上确实省事，但星系团、子弹团和微波背景三处都要额外补丁，代价并不比增加一种粒子小。
太阳附近约 0.01 倍太阳质量每立方秒差距，整个银河系约 10¹² 倍太阳质量，其中大部分分布在远离星系盘的外晕。
延伸阅读
- Rubin, V. C. & Ford, W. K. 1970, ApJ 159, 379
- Clowe, D. et al. 2006, ApJL 648, L109
- Planck Collaboration 2020, A&A 641, A6