原创 刘孜铭

自1922年天文学家雅各布·卡普坦（Jacobus Kapteyn）初次提出星系中大概存在不行见的物质以来，人类对暗物质的探究已经度过了近一百个年龄，却仍旧没能揪住这秘密物质的一丁点尾巴。暗物质研究范畴中总是传播着如许的嘲笑话——暗物质的确是回事儿！（Dark matter is matter.）然而打趣背后，如许一种看不见摸不着，只能依附引力感觉的物质也着实让科学家们抓破了头。

捉摸不定，从未现身

因为不会辐射电磁波，同时也不汲取和反射电磁波，同重子物质之间也仅存在引力相互作用，暗物质的存在直到近代才渐渐被发觉和确认。最初弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）与扬·奥尔特（Oort，Jan Hendrik）分别敏锐地觉察，星系中该当存在更多看不到的物质（茨威格从后发星系团动身，而奥尔特从银河系动身），这些物质的存在直到薇拉·鲁宾（Vera Cooper Rubin）开始观察星系的自转曲线才初见眉目。

假如只有重子物质存在，星系自转曲线该当同红线普通在星系外围敏捷衰减，然而现实的观察却发觉并非云云，这意味着星系外围有着大量“看不到”的物质存在。领先发觉这一征象的科学家之一即是良好的女性科学家薇拉·鲁宾。/ 图源网络

星系被包裹在庞大的暗物质团块当中，这些团块我们称之为暗物质晕。假如只有那些可以发光的重子物质，星系外围的自转曲线本应切合牛顿力学和开普勒定律，很快地在星系外侧减少为零，但现实上因为暗物质晕的存在，它们出现出平展的图形，这同只有重子物质存在的星系自转曲线是大相径庭的。

除此之外，因为存在引力作用，恒星大概星云的光在颠末暗物质晕的时间会被扭曲，从而形成引力透镜征象。由于暗物质自己不发光，以是暗物质作为引力透镜是极为抱负的。借助于这一东西，我们乃至能探测到星系碰撞时暗物质晕同中心的星系产生分散的子弹星系团征象。然而以上探测要领都属于间接丈量，暗物质的属性是云云捉摸不定，时至本日，科学家仍未能直接（在粒子物理层面上）探测到暗物质的存在。

/ 暗物质的候选物浮出水面

最初天文学家们以为所谓的暗物质，正是那些在宇宙中不发光的天体的总和——黑洞、褐矮星、行星等天体，它们被称为晕族大质量高密度天体（Massive Astrophysical Compact Halo Objects，简称：MACHOs）。固然这些天体不发光大概发光极其薄弱，但我们依旧可以通过微引力透镜效应（当质量较小的透镜天体颠末配景天体火线时引起的连续时间较短的亮度临时上升征象）来观察到它们。

产生碰撞的星系X射线波段观察（赤色）与通过引力透镜盘算出的暗物质团块（蓝色）位置漫衍的图像，因为暗物质同重子物质不产生碰撞，是以在子弹星系团中会先凌驾星系，从而产生星系和暗物质晕中间错位的征象。版权／NASA

波兰天文学家波丹·巴钦斯基（Bohdan Paczynski)在20世纪80年月提倡了对麦哲伦星云的MACHO巡天打算，对巨细麦哲伦星云举行了多次永劫间观察，以查找此中的微引力透镜变乱。然而巡天项目效果评释，至少在巨细麦哲伦星云中，MACHOs的数目远远无法餍足暗物质的存在所必要的质量，是以这一假说很快便被否认了，是以科学家们只好向根本粒子追求解答。

/ 无法形成小布局的热暗物质

中微子和一些轻子是开始进入科学家视角的根本粒子，它们质量很小，呈电中性，同时可以在宇宙中大量存在。只不外中微子质量微小，在宇宙中乃至可以靠近光速活动，这就意味着它们在宇宙早期冷却下来的时间较晚，乃至比重子物质还要更晚。这些粒子被作为热暗物质（Hot Dark Matter，简称HDM）的候选物。

暗物质模子被提出的时间恰逢盘算机技能鼓起，多体模仿得以在盘算机中实现，是以科学家们就可以或许以这些粒子的性子作为变量，利用盘算机来对付宇宙的演化举行数值模仿，热暗物质粒子是开始被丢进这类模仿当中的。但在数值模仿之下，热暗物质模子也是开始被踢出暗物质候选者阵营的。

这是因为热暗物质模子中，暗物质粒子是一些能量极高的轻粒子，它们速率很快，在宇宙演化中要很晚才气冷却减速倚赖在星系四周形成暗物质晕。然而依据宇宙微波配景的观察效果，宇宙是从一个高度匀称的状态开始膨胀的，在这个条件下，热暗物质粒子无法在数值模仿中形成星系如许“小标准”（在宇宙之中，星系的标准简直小的可怜）的团块，然而在宇宙中我们已经可以或许观察到低于热暗物质阈值的小标准布局，以是这一模子很难对现有的小标准布局举行解说，天然就被从候选者中清除了。

/ 彷佛完善的冷暗物质

有了热暗物质作为参考，冷暗物质（Cold Dark Matter，简称CDM）模子也便应运而生，这类模子是对那些质量较大的，速率更小的粒子的统称，它们被称为弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particles，简称WIMPs）。弱相互作用大质量粒子是质量和相互作用强度都在电弱相互作用量级的根本粒子，不参加电磁和强相互作用。因为WIMPs自己的物理性子极其不生动，是以很难直接查找到它们，不外基于这种料想，浩繁物理试验得以创建起来。

同时，基于冷暗物质模子的宇宙学模仿也风起云涌地举行起来，天体物理学家詹姆斯·皮尔布斯（James Peebles， 由于其在宇宙学范畴的诸多奉献，2019年被付与了诺贝尔物理学奖）领先使用多体模仿技能实现了对冷暗物质宇宙模子的数值模仿。科学家们惊异的发觉，这种暗物质模子险些完善地再现了整个可观察宇宙的现况。

固然粒子物理学家还没能捉住一颗暗物质粒子，不外盘算宇宙学的科研职员们已经在硬盘中模仿出了整个宇宙随着暗物质和重子物质配合演化的历程。冷暗物质模子对付宇宙的还原是云云贴切，时至本日照旧是暗物质候选者中的大热门。无碰撞的冷暗物质模子可以或许很好地切合现在的观察效果——在大部门时间，究竟上，在数值模仿中可以利用的粒子数与盘算机的数据处置惩罚速率都大幅提拔后，科学家们发觉：它也并非完善。

起首显现的是尖顶&内核题目（cusp and core proplem）。冷暗物质模子的密度漫衍切合NFW密度曲线（Navarro，Frenk & White density profile， 这一密度漫衍情势以构建它的三名科学家定名），这意味着在冷暗物质模子的中间，物质密度将会是发散的，也便是说暗物质晕的中间存在一个密度极高，乃至是无穷大的地区。而现实上如许无穷大的地区并不存在，固然星系的中间每每存在超大质量黑洞，但是冷暗物质模子中的高密度中间的标准比超大质量黑洞要大得多，以是两者无法一概而论。

数值模仿中，热（左）、温（中）、冷（右）暗物质模子，在宇宙早期（上）以及如今（下）阶段宇宙中的物质漫衍布局，随着暗物质“温度”渐渐低落，可以或许形成的小标准布局就越麋集。版权／苏黎世大学

除了尖顶与内核题目，在冷暗物质模仿当中显现的另一个题目也很快凸显出来，冷暗物质模仿的效果表现了大量的小标准布局——比热暗物质多得多。就像人们所说的，旱的旱去世，涝的涝去世，冷暗物质宇宙在模仿下显现的浩繁精致布局完全没有被现有观察本领所观察到——但这倒也在情理之中。

因为冷暗物质宇宙当中，暗物质粒子比重子物质更早冷却下来，形成暗物质晕，然后重子物质再渐渐落入此中形成星系团和星系。是以对付那些很小的暗物质晕，将只会有很少的重子物质落入此中，乃至有些更小的暗物质晕中将没有任何重子物质。在人类现有的探测本领下，这些暗物质子布局自己就很难被发觉，更不必说统计他们的数目了。

冷暗物质（左）与自相互作用暗物质模子（右）中暗物质漫衍的表示图，图中颜色越红代表密度越大。版权／林航平

不外敏感d 科学家们很快就意识到，假如略微转变模子，无论是尖顶与内核题目，照旧过多的子布局题目都将得到办理，温暗物质（Warm Dark Matter，简称：WDM）模子应运而生。——相识更多暗物质探究信息，尽在《中国国度天文》4月刊

/ 探究暗物质晕的极限

暗物质的属性决定了我们很难直接打仗并研究这种物质，不外幸亏它的诸多性子照旧可以或许举行间接丈量。

科学家们真的有方法直接找到暗物质晕吗？有大概。暗物质晕自己不发光的特性使得它们成为了绝佳的引力透镜天体，使用引力透镜效应，我们可以“轻松”找到这些暗物质晕。只不外宇宙是云云众多，即便星辰遍布天空，暗物质晕大量存在，暗物质晕恰恰位于恒星之前的概率仍旧非常低。

哈勃望远镜对超暗矮星系Leo IV的光学波段观察，内里真的什么都看不着。版权／NASA

而暗物质的数值模仿之路也尚未到头。宇宙级另外演化所必要的盘算量远远凌驾现有人类全部的盘算机，但我们可以通过逐级放大的要领将这偌大的宇宙渐渐放大，终极得到充足“微观”的宇宙效果。对种种暗物质模子的深入研究，正吸引着大批科研事情者。固然冷暗物质模子现在为广阔天文学者所认同，但这一模子中照旧存在诸多题目临时无法得到公道的解说。

暗物质的素质本相为何？或许再过几年——大概几十年，我们终将揭开暗物质的神奇面纱；也大概，好像可控核聚变那样，我们间隔暗物质的实情永久还差50年。

原作者简介 /刘孜铭，笔名猫又，国度天文台博士在读，趁便用天眼看看仙女座大星云。