臺北市立天文科學教育館

宇宙在形成之時伴隨著物質與能量的誕生，同時也產生不均勻的物質與能量分布。宇宙微波背景輻射(CMB)圖像揭露了宇宙誕生時的樣貌，宇宙學家從中估算出我們的宇宙包含了68％的暗能量、27％暗物質和5％正常物質。至於太陽系中有沒有暗物質與暗能量？就要從其本質開始說起。

太陽系中有暗物質嗎？

暗物質是一種除了重力以外不會與其他物質（包含自己）發生交互作用的物質，例如碰撞。所以可以想見，當正常物質因為重力向密度高的中心塌縮，暗物質仍會均勻分布在空間之中。那麼，暗物質對太陽系的影響如何？暗物質粒子充斥在整個空間（包括整個銀河系），這意味著我們的太陽系、太陽，甚至我們的身體中都應該存在暗物質。因此，這個問題是：與太陽、行星和太陽系中其他物體的質量相比，暗物質引起且相關的質量是多少？

要回答這個問題，我們首先需要了解是什麼決定了我們太陽系中物體的軌道。太陽是太陽系中的主要物質，是行星的軌道的最主要決定性因素。但是對金星來說，水星也在它的軌道內側，因此可以說金星的軌道由太陽和水星的總質量決定。同理，對於木星來說它的軌道由太陽加上內部的岩石行星和小行星帶決定。對於任何軌道物體，其軌道是由以太陽為中心的假想球所包圍的總質量決定，而該天體在球的邊緣。

如果暗物質是平均分布在宇宙之中，而科學家已經知道銀河系總質量，就能知道正常物質和暗物質的相對密度。經過計算後，地球的軌道內側應該含有大約10¹³公斤的暗物質，而像海王星這樣的行星軌道內側則有大約10¹⁷公斤的暗物質。但是太陽的質量為2×10³⁰公斤，而地球則是6×10²⁴公斤，都遠遠大於暗物質對行星軌道造成的影響。因此，目前我們並無法透過行星的運動知道暗物質是否存在。

太陽系中有暗能量嗎？

天文學家透過觀測已經知道大多數星系正在彼此遠離，這意味著在遙遠的過去，這些星系之間的距離更近，相關證據也支持了大霹靂假說。不過當時的天文學家認為，宇宙中恆星和星系的引力將減慢宇宙的膨脹，然而在1990年代後期科學家研究遙遠星系中超新星後發現，遙遠星系的遠離速度比鄰近星系更快，顯示宇宙不僅在膨脹，而且還在加速膨脹。因此，宇宙學者提出了暗能量來解釋宇宙的加速膨脹現象。

至於太陽系中有沒有暗能量呢？原則上，暗能量與暗物質一樣均勻分布於宇宙之中，同樣會對太陽系產生影響。雖然有部分天文學家嘗試從文獻中推敲暗能量是否影響了太陽系各天體之間的距離，不過其影響目前仍無決定性證據證實。(台北天文館解說員 王彥翔)

參考資料：
Xu, X., & Siegel, E. R. (2008). Dark Matter in the Solar System. arXiv preprint arXiv:0806.3767.
Křížek, M., & Somer, L. (2015). Manifestations of dark energy in the solar system. Gravitation and Cosmology, 21(1), 59-72.