长期以来，暗物质因其神秘的属性一直是学术界和科学爱好者体贴的话题。主流看法以为，由于暗物质的存在才有了我们今天的宇宙。但科学家是若何断定暗物质存在的？现在哪些模子能合理注释？缉拿暗物质，出发！

本文来自微信民众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：董唯元，题图来自：《星际穿越》

在科普作品中，暗物质和暗能量就像一对孪生兄弟，险些总是被同时提及，但着实二者的历史身世差异很大。人们感知到暗能量只是最近20多年的事，而对暗物质的熟悉则已跨越135年，而且时代关于暗物质特征及作用的明白也履历了数次主要刷新。

线索一：分外引力源

早在1884年，当研究者行使银河系中恒星运动速率估算星系总质量时，就发现许多恒星的运动速率比预想快许多。云云高速运行的恒星似乎早该脱离其运行轨道，除非星系内还存在大量无法直接观察到的物质来提供分外的引力约束。凭据盘算，那些不发光的隐身物质总量远远超出了所有可观察天体的总量。无人能解答这些物质事实是什么，暗物质也因此得名。

图中纵坐标V代表恒星运行速率，横坐标R代表到星系中央距离，实线为现实观察效果，虚线是由可见物质质量估算的理论效果。本图内容为2019年的观察剖析效果，早期的观察虽然也得出同类定性结论，但精度和完整性都逊色一些。图片泉源：Salucci, P. The distribution of dark matter in galaxies. Astron Astrophys Rev 27, 2 (2019). https://doi.org/10.1007/s00159-018-0113-1

这一反常征象最初并没有引起研究者过多关注，要知道那时受观察手艺和理论模子两方面制约，天文观察中难以明白的征象可以说俯拾皆是。相比之下，几颗运行速率过快的恒星这种事，只管不停被研究者重复发现，也着实不能算什么了不起的征象。

直到20世纪70年代，随着手艺进步和理论完善，大量的观察数据越来越清晰地显示，不仅银河系存在这种神秘的分外引力源，其他河外星系也都普遍存在，而且在每个星系中，这种隐身物质的总量都恰好是可观察质量的6倍。这便是暗物质给我们留下的第一条明确线索，自此，暗物质才正式被立案侦查。

凭据运行速率推算，银河系暗物质漫衍远跨越可见物质漫衍局限。图片泉源：Roger Freedman, Robert Geller, William Kaufman. Universe (10^th edition) Chapter 22, Our Galaxy.

线索二：引力透镜

最容易想到的嫌疑工具，自然是那些恒星演化晚期产物，也就是那些恒星核聚变反映之后剩下的冰凉残骸。我们的银河系已经存在了一百多亿年，险些跟宇宙的寿命同样古老。既然这个火堆连续燃烧了一百多亿年，那么其周围弥漫着大量浓雾黑烟，似乎也是个蛮相符直觉的图景。

然而研究者很快就发现，暗物质与恒星残骸有一个主要区别：暗物质是透明的。只管我们周遭充斥着6倍于通俗物质的暗物质，但没有丝毫阴天的感受，那些来自银河系外的光线可以畅通无阻地到达我们身边。更有意思的是，暗物质一方面临光完全透明，另一方面其质量所发生的引力场又像通俗物质一样，可以掰弯擦身而过的光线。

这种由质量发生的光线偏转，可以发生“引力透镜”效果。一个藏在大质量天体背后的光源所发出的光线，会被大质量天体掰弯后射入我们的天文望远镜，于是我们在天空中便会见到一些有趣的图像，就恰似透过玻璃瓶底所看到的亮光。

图中显示的是强引力透镜效应所发生的爱因斯坦环，较为直观但相对对照少见。更为常见的是弱引力透镜和微引力透镜效应所发生的位置偏移或图像形变，需对统一方位多次拍摄并举行位置对照才气发现。图片泉源：Wikipedia

虽然通俗天体和暗物质团都市发生引力透镜效应，但区分二者的方式很简朴，由于暗物质自己对光透明，所以其质量发生的引力透镜效果就像影戏中身上淋了水的隐形人，异常容易鉴别。

图片泉源：影戏《隐形人》

正是基于引力透镜这第二条线索，研究者才得以异常准确地判断暗物质的位置、形状甚至运行姿态。另外凭据光线偏转的水平，还可以推算暗物质的质量。原本神秘的暗物质，就这样乖乖地现出了体态。

借助引力透镜这一强力手段，研究者不仅很快绘制出各个方位暗物质漫衍图，而且颇为意外地在一场“车祸”现场中，发现了暗物质存在的有力证据。

线索三：子弹星云

在距我们37亿光年处，曾经发生过一起惨烈的星系对撞事宜，至今在夜空中仍可以看到两星系相互穿过对方1亿年之后的样子。

子弹星云X射线图，图片泉源：Wikipedia

照片中可以看出，两个星系的发光物质主要集中在两片白色区域，红色区域次之，蓝色区域最少。然而通过引力透镜效应剖析，研究者惊讶地发现，现实质量群集的区域并不在亮度最高的地方，而是跑到了发光物质的前面。

图片泉源：Astrobites.org

这说明在两星系碰撞并相互穿行的历程中，大量不发光的物质都顺畅地擦肩而过，只有那些发光的物质相互粘滞摩擦，放慢了脚步。这一征象异常契合此前人们对暗物质秉性的熟悉，暗物质之所以对光透明，就是由于不介入电磁相互作用。这一特征同时也使暗物质像幽灵幽灵一样，可以顺滑地穿过险些任何物体。而由通俗物质组成的我们，无法像崂山羽士那样穿墙，撞击地球的陨石也无法悄然穿行而过，则都是碍于电磁作用的羁绊。

这种极为罕有的光源与引力源星散征象，不仅是暗物质存在的最有力证据，同时也具有筛选磨练理论模子的主要意义。子弹星云这个对撞现场，也就成了各式暗物质理论模子的自然实验场。

线索四：宇宙的结构

除了子弹星云这个直观的实验场，理论模子另有另一个更为主要的测试场景，那就是大爆炸之初的早期宇宙。在谁人窄小又炽热的环境中，整个宇宙就是一锅等离子体浓汤，电磁相互作用的影响远大于引力作用。在履历快速暴胀的历程中，粒子间相互远离，电磁相互作用也就随之快速削弱，一锅浓汤就酿成了一盘散沙。

那么厥后这些散落的粒子又是若何汇聚成星系的呢？谜底只能是依赖引力作用。然则若是宇宙中没有暗物质，仅依赖通俗物质所发生的引力，暴涨之后的一盘散沙基本不具备足够引力。在那样的宇宙中，不要说再次聚合成星系，就连找到几个比质子更大的粒子都很难实现。

幸好存在对电磁作用无感的暗物质，才使我们的宇宙并没有过于零星。在那锅浓汤之中，纵有高能等离子动如疯兔，暗物质仍可静若处子，为宇宙的整体结构撑起稳当的骨架。而通俗物质在降温历程中会因暗物质的引力作用，依附在暗物质骨架结构之上，不仅避免了过分平均的漫衍形式，也在不经意间描绘出暗物质骨架的形状。

早年面线索一中枚举的事实也可以看出，组成星系的真正主角着实就是暗物质，我们一样平常熟悉的通俗物质天体，都只是镶嵌在一大群暗物质团块中的小小粉饰而已。借助引力透镜效应，研究者已经可以直接勾画出包罗暗物质在内的宇宙大尺度上丝状结构。

在宇宙大尺度结构中充满暗物质。图片泉源：burro.case.edu

研究者也曾多次在电脑中模拟宇宙创生和结构形成历程，并通过调整初始参数来考察形成当今宇宙面目所对应的条件。险些所有模拟都明确的显示，暗物质是我们宇宙中必不可少的组成，若是没有暗物质，宇宙将无法成为今天的样子。

图片泉源：universetoday.com

线索五：重子声学振荡

虽然在大爆炸之后几秒内便已经泛起光子，但在相当长的一段时间里，宇宙里充斥着等离子电浆，光子基本无法自由穿行。直到37.7万年之后，温度冷却到原子核和电子结合成电中性的原子，宇宙才竣事了“漆黑时期”，泛起了第一批酣畅云游的光子。那批光子至今仍可以被我们看到，这就是宇宙微波靠山辐射。当我们环视四面八方的微波靠山辐射，着实看到的就是宇宙在37.7万岁时的样子。

宇宙微波靠山辐射，图片泉源：Wikipedia

在专业人士眼中，这张貌似杂乱的照片里，蕴藏着大量极为珍贵的信息，其中最主要的就是“重子声学振荡”（BAO，baryon acoustic oscillations）。所谓BAO，简朴地说，就是质子和中子这样的重子，其漫衍密度崎岖转变的涟漪。

前面已经提到过，婴儿宇宙是等离子浓汤，暗物质就像锅里的水，重子平均地消融在其中。别忘了这是一锅充满能量沸腾翻腾的浓汤，注定没办法安安静静地时刻保持平稳平均。那些在汤中回响的“噪声”，就会使重子的密度漫衍发生响应转变。今天留在宇宙微波靠山辐射中的细小崎岖升沉，就是当初那锅浓汤中的声学振荡所发生的涟漪。

宇宙结构的艺术图，灰色的球体显示了来自早期宇宙的“重子声学振动”的模式。图片泉源：astro.ucla.edu

通过仔细剖析宇宙微波靠山辐射中的颠簸谱，我们不仅可以“听”出婴儿宇宙的种种音调，继而判断出许多那时宇宙的物理性质，于是BAO痕迹就像暗物质留下的指纹一样，成了验证各种暗物质假设的主要比对工具。

另外，BAO所形貌的初始漫衍状态也是一把“尺度尺”，可以丈量后续宇宙膨胀历程中的空间转变情形。这把“尺度尺”背后的原理很容易明白，就像我们借助缩小的舆图和比例尺信息在生疏城市里定位一样，BAO也会告诉我们在多远距离上找到星系的概率更大。

只不外当我们仰面瞻仰星空的时刻，看到的是那些天体在差别时间点的样子，这样恰好可以把历史时间因素代入进来，从而辅助我们在当下时刻就可以通过对比尺度尺的方式纵览宇宙一生的所有时刻。

图片泉源：scienceblogs.com, Ethan Siegel, What the hell are Baryon Acoustic Oscillations?

“嫌疑犯”名单

回首了暗物质的五条主要线索之后，让我们回到一个最基本的问题：暗物质到底是什么？这个问题显然尚在探索之中，距离谜底揭晓另有很长一段路要走。不外早年面列出的线索中，我们已经有了许多评判依据，再面临理论研究者提出的各式模子时，便可以对照有底气地取舍。

现在关于暗物质的理论模子五花八门千奇百怪，总体大致可分成下列表格中所包罗的几种种别。

清扫熟悉面貌

以MOND（modified Newtonian dynamics）为代表的一类理论，虽然剑走偏锋，却也在学界据一席之地。这一理论以为基本不存在暗物质，在星系中观察到恒星速率过快的真正缘故原由，并不是分外引力源，而是我们的现有引力理论有待修正。这一理论扩展到相对论语境下，就是TeVeS（Tensor–vector–scalar gravity）理论。

这一理论早先对引力的修正方式并不自然，引入附加参量的途径显得有些突兀，但几年前，荷兰物理学家Verlinde教授提出熵引力理论，注释了MOND中修正项的可能泉源，算是为MOND理论补上了这一薄弱环节^[1]。

固然MOND理论的硬伤仍然十分显著，好比面临子弹星云这种暗物质与光源错位星散的情形时，MOND很难提供足够有力的理论说明。只管通过起劲组织，委曲可以实现非对称的引力场效果，但其中的刻意味道过重，着实缺乏物理上的说服力，因此未成为主流。

同样被子弹星云所否认的理论，还包罗MACHO（massive compact halo objects）等宏观暗物质这一类。若是暗物质是星系中燃烧之后的灰烬残骸，那么这些残骸显然应该落后于光源的运动，而不是像子弹星云所显示的那样跑在光源的前面。纵然MACHO中包罗的不是燃烧残骸，而是自宇宙降生之初便已经存在的原初物质，只要这种物质在碰撞历程中会受电磁作用影响，就无法合理注释子弹星云展现的图像。

另外，MACHO这一类理论也很难从宇宙大尺度结构，或者微波靠山辐射的BAO所携带的信息中获得观察支持。事实上，支持MACHO的研究者，本质上是否认了早期宇宙浓汤中存在有施展特殊作用的暗物质。而诸多观察事实都倾向于以为，暗物质必须足够早的介入宇宙演化，才有可能发生现在的样貌，否则大爆炸至今都无法形成星系，只有满眼的一片散沙。

凭据已经发现的线索来看，饰演暗物质的险些不可能是任何现有已知物质，只可能是已知粒子的某些特殊状态，或者爽性就是一些尚未探知的新粒子。

寻找隐形的守护者

一些理论研究者在现有尺度模子框架内，像拼接乐高一样寻找着种种可能的搭配，并逐一试探其物理性质是否相符暗物质的特点。这类事情偶然也会取得些希望，好比有研究者发现一种由6个夸克组成的粒子，可以对照好的相符预期要求。不外这类事情总体上仍属于小众分支，更多的研究者都将注意力集中在若何修改扩展现有尺度模子，从而提出新型粒子的理论模子。

事实上，在大多数理论研究者心目中，暗物质的研究早已经与尺度模子扩展融合在一起——暗物质也在守护我们的大厦不会坍毁。自中微子振荡、强CP问题等征象被发现之后，现有尺度模子就已经铁定存在不足，一定需要修订。由此推动的一些研究希望，如跷跷板机制和PQ对称性等理论，已然成为相关研究领域内尽人皆知的热点话题。

另外早已提出多年的超对称理论，虽然迟迟未被实验证实，但其优雅的形式令许多理论研究者始终不愿放弃，仍在起劲将其酿成尺度模子扩展的众多可能选项之一。

这些理论延展事情所提出的新模子中，都市泛起一些新粒子，其特征异常相符暗物质的特征。现在最惹人注目选项之一是轴子。若是实验能够证实发现轴子，那么不仅可以捕捉一个暗物质粒子，同时还可以一举解决困扰物理学家良久的强CP问题，从而把关于对称性和反物质的理论熟悉提升到一个新的高度。

参考资料

[1] https://arxiv.org/abs/1611.02269

本文来自微信民众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：董唯元，题图来自：视觉中国