自1922年天文學(xué)家雅各布·卡普坦（Jacobus Kapteyn）首次提出星系中可能存在不可見(jiàn)的物質(zhì)以來(lái)，人類(lèi)對(duì)暗物質(zhì)的探索已經(jīng)度過(guò)了近一百個(gè)春秋，卻依舊沒(méi)能揪住這詭秘物質(zhì)的一丁點(diǎn)尾巴。暗物質(zhì)研究領(lǐng)域中總是流傳著這樣的冷笑話——暗物質(zhì)確實(shí)是回事兒?。―ark matter is matter.）然而玩笑背后，這樣一種看不見(jiàn)摸不著，只能憑借引力感受的物質(zhì)也著實(shí)讓科學(xué)家們抓破了頭。

捉摸不定，從未現(xiàn)身

由于不會(huì)輻射電磁波，同時(shí)也不吸收和反射電磁波，同重子物質(zhì)之間也僅存在引力相互作用，暗物質(zhì)的存在直到近代才逐步被發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)。最初弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）與揚(yáng)·奧爾特（Oort，Jan Hendrik）分別敏銳地發(fā)覺(jué)，星系中應(yīng)當(dāng)存在更多看不到的物質(zhì)（茨威格從后發(fā)星系團(tuán)出發(fā)，而奧爾特從銀河系出發(fā)），這些物質(zhì)的存在直到薇拉·魯賓（Vera Cooper Rubin）開(kāi)始觀測(cè)星系的自轉(zhuǎn)曲線才初見(jiàn)端倪。

圖1.如果只有重子物質(zhì)存在，星系自轉(zhuǎn)曲線應(yīng)當(dāng)同紅線一般在星系外圍迅速衰減，然而實(shí)際的觀測(cè)卻發(fā)現(xiàn)并非如此，這意味著星系外圍有著大量“看不到”的物質(zhì)存在。率先發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的科學(xué)家之一便是杰出的女性科學(xué)家薇拉·魯賓。/ 圖源網(wǎng)絡(luò)

星系被包裹在巨大的暗物質(zhì)團(tuán)塊當(dāng)中，這些團(tuán)塊我們稱(chēng)之為暗物質(zhì)暈。如果只有那些可以發(fā)光的重子物質(zhì)，星系外圍的自轉(zhuǎn)曲線本應(yīng)符合牛頓力學(xué)和開(kāi)普勒定律，很快地在星系外側(cè)削減為零，但實(shí)際上由于暗物質(zhì)暈的存在，它們呈現(xiàn)出平坦的圖形，這同只有重子物質(zhì)存在的星系自轉(zhuǎn)曲線是截然不同的。

除此之外，由于存在引力作用，恒星或者星云的光在經(jīng)過(guò)暗物質(zhì)暈的時(shí)候會(huì)被扭曲，從而形成引力透鏡現(xiàn)象。因?yàn)榘滴镔|(zhì)本身不發(fā)光，所以暗物質(zhì)作為引力透鏡是極為理想的。借助于這一工具，我們甚至能探測(cè)到星系碰撞時(shí)暗物質(zhì)暈同中間的星系發(fā)生分離的子彈星系團(tuán)現(xiàn)象。然而以上探測(cè)方法都屬于間接測(cè)量，暗物質(zhì)的屬性是如此捉摸不定，時(shí)至今日，科學(xué)家仍未能直接（在粒子物理層面上）探測(cè)到暗物質(zhì)的存在。

暗物質(zhì)的候選物浮出水面

最初天文學(xué)家們認(rèn)為所謂的暗物質(zhì)，正是那些在宇宙中不發(fā)光的天體的總和——黑洞、褐矮星、行星等天體，它們被稱(chēng)為暈族大質(zhì)量高密度天體（Massive Astrophysical Compact Halo Objects，簡(jiǎn)稱(chēng)：MACHOs）。雖然這些天體不發(fā)光或者發(fā)光極其微弱，但我們依然可以通過(guò)微引力透鏡效應(yīng)（當(dāng)質(zhì)量較小的透鏡天體經(jīng)過(guò)背景天體前方時(shí)引起的持續(xù)時(shí)間較短的亮度暫時(shí)上升現(xiàn)象）來(lái)觀測(cè)到它們。

圖2.發(fā)生碰撞的星系X射線波段觀測(cè)（紅色）與通過(guò)引力透鏡計(jì)算出的暗物質(zhì)團(tuán)塊（藍(lán)色）位置分布的圖像，由于暗物質(zhì)同重子物質(zhì)不發(fā)生碰撞，因此在子彈星系團(tuán)中會(huì)先超過(guò)星系，從而發(fā)生星系和暗物質(zhì)暈中心錯(cuò)位的現(xiàn)象。版權(quán)／NASA

波蘭天文學(xué)家波丹·巴欽斯基（Bohdan Paczynski)在20世紀(jì)80年代發(fā)起了對(duì)麥哲倫星云的MACHO巡天計(jì)劃，對(duì)大小麥哲倫星云進(jìn)行了多次長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，以尋找其中的微引力透鏡事件。然而巡天項(xiàng)目結(jié)果表明，至少在大小麥哲倫星云中，MACHOs的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足暗物質(zhì)的存在所需要的質(zhì)量，因此這一假說(shuō)很快便被否定了，因此科學(xué)家們只好向基本粒子尋求解答。

無(wú)法形成小結(jié)構(gòu)的熱暗物質(zhì)

中微子和一些輕子是最先進(jìn)入科學(xué)家視角的基本粒子，它們質(zhì)量很小，呈電中性，同時(shí)可以在宇宙中大量存在。只不過(guò)中微子質(zhì)量極小，在宇宙中甚至可以接近光速運(yùn)動(dòng)，這就意味著它們?cè)谟钪嬖缙诶鋮s下來(lái)的時(shí)間較晚，甚至比重子物質(zhì)還要更晚。這些粒子被作為熱暗物質(zhì)（Hot Dark Matter，簡(jiǎn)稱(chēng)HDM）的候選物。

暗物質(zhì)模型被提出的時(shí)候恰逢計(jì)算機(jī)技術(shù)興起，多體模擬得以在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，因此科學(xué)家們就能夠以這些粒子的性質(zhì)作為變量，使用計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)于宇宙的演化進(jìn)行數(shù)值模擬，熱暗物質(zhì)粒子是最先被丟進(jìn)這類(lèi)模擬當(dāng)中的。但在數(shù)值模擬之下，熱暗物質(zhì)模型也是最先被踢出暗物質(zhì)候選者陣營(yíng)的。

這是由于熱暗物質(zhì)模型中，暗物質(zhì)粒子是一些能量極高的輕粒子，它們速度很快，在宇宙演化中要很晚才能冷卻減速依附在星系周?chē)纬砂滴镔|(zhì)暈。然而依據(jù)宇宙微波背景的觀測(cè)結(jié)果，宇宙是從一個(gè)高度均勻的狀態(tài)開(kāi)始膨脹的，在這個(gè)前提下，熱暗物質(zhì)粒子無(wú)法在數(shù)值模擬中形成星系這樣“小尺度”（在宇宙之中，星系的尺度的確小的可憐）的團(tuán)塊，然而在宇宙中我們已經(jīng)能夠觀測(cè)到低于熱暗物質(zhì)閾值的小尺度結(jié)構(gòu)，所以這一模型很難對(duì)現(xiàn)有的小尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋?zhuān)匀痪捅粡暮蜻x者中排除了。

似乎完美的冷暗物質(zhì)

有了熱暗物質(zhì)作為參考，冷暗物質(zhì)（Cold Dark Matter，簡(jiǎn)稱(chēng)CDM）模型也便應(yīng)運(yùn)而生，這類(lèi)模型是對(duì)那些質(zhì)量較大的，速度更小的粒子的統(tǒng)稱(chēng)，它們被稱(chēng)為弱相互作用大質(zhì)量粒子（Weakly Interacting Massive Particles，簡(jiǎn)稱(chēng)WIMPs）。弱相互作用大質(zhì)量粒子是質(zhì)量和相互作用強(qiáng)度都在電弱相互作用量級(jí)的基本粒子，不參與電磁和強(qiáng)相互作用。由于WIMPs本身的物理性質(zhì)極其不活潑，因此很難直接尋找到它們，不過(guò)基于這種猜想，眾多物理實(shí)驗(yàn)得以建立起來(lái)。

同時(shí)，基于冷暗物質(zhì)模型的宇宙學(xué)模擬也如火如荼地進(jìn)行起來(lái)，天體物理學(xué)家詹姆斯·皮爾布斯（James Peebles， 因?yàn)槠湓谟钪鎸W(xué)領(lǐng)域的諸多貢獻(xiàn)，2019年被授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）率先利用多體模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷暗物質(zhì)宇宙模型的數(shù)值模擬?？茖W(xué)家們驚奇的發(fā)現(xiàn)，這種暗物質(zhì)模型幾乎完美地再現(xiàn)了整個(gè)可觀測(cè)宇宙的現(xiàn)況。

雖然粒子物理學(xué)家還沒(méi)能抓住一顆暗物質(zhì)粒子，不過(guò)計(jì)算宇宙學(xué)的科研人員們已經(jīng)在硬盤(pán)中模擬出了整個(gè)宇宙隨著暗物質(zhì)和重子物質(zhì)共同演化的過(guò)程。冷暗物質(zhì)模型對(duì)于宇宙的還原是如此貼切，時(shí)至今日仍舊是暗物質(zhì)候選者中的大熱門(mén)。無(wú)碰撞的冷暗物質(zhì)模型能夠很好地符合如今的觀測(cè)結(jié)果——在大部分時(shí)候，事實(shí)上，在數(shù)值模擬中可以使用的粒子數(shù)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度都大幅提升后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)：它也并非完美。

首先出現(xiàn)的是尖頂&內(nèi)核問(wèn)題（cusp and core proplem）。冷暗物質(zhì)模型的密度分布符合NFW密度曲線（Navarro，F(xiàn)renk & White density profile， 這一密度分布形式以構(gòu)建它的三名科學(xué)家命名），這意味著在冷暗物質(zhì)模型的中心，物質(zhì)密度將會(huì)是發(fā)散的，也就是說(shuō)暗物質(zhì)暈的中心存在一個(gè)密度極高，甚至是無(wú)窮大的區(qū)域。而實(shí)際上這樣無(wú)窮大的區(qū)域并不存在，雖然星系的中心往往存在超大質(zhì)量黑洞，但是冷暗物質(zhì)模型中的高密度中心的尺度比超大質(zhì)量黑洞要大得多，所以兩者無(wú)法一概而論。

圖3.數(shù)值模擬中，熱（左）、溫（中）、冷（右）暗物質(zhì)模型，在宇宙早期（上）以及現(xiàn)在（下）階段宇宙中的物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)，隨著暗物質(zhì)“溫度”逐漸降低，能夠形成的小尺度結(jié)構(gòu)就越密集。版權(quán)／蘇黎世大學(xué)

除了尖頂與內(nèi)核問(wèn)題，在冷暗物質(zhì)模擬當(dāng)中出現(xiàn)的另一個(gè)問(wèn)題也很快凸顯出來(lái)，冷暗物質(zhì)模擬的結(jié)果顯示了大量的小尺度結(jié)構(gòu)——比熱暗物質(zhì)多得多。就像人們所說(shuō)的，旱的旱死，澇的澇死，冷暗物質(zhì)宇宙在模擬下出現(xiàn)的眾多精細(xì)結(jié)構(gòu)完全沒(méi)有被現(xiàn)有觀測(cè)手段所觀測(cè)到——但這倒也在情理之中。

由于冷暗物質(zhì)宇宙當(dāng)中，暗物質(zhì)粒子比重子物質(zhì)更早冷卻下來(lái)，形成暗物質(zhì)暈，然后重子物質(zhì)再逐漸落入其中形成星系團(tuán)和星系。因此對(duì)于那些很小的暗物質(zhì)暈，將只會(huì)有很少的重子物質(zhì)落入其中，甚至有些更小的暗物質(zhì)暈中將沒(méi)有任何重子物質(zhì)。在人類(lèi)現(xiàn)有的探測(cè)能力下，這些暗物質(zhì)子結(jié)構(gòu)本身就很難被發(fā)現(xiàn)，更不必說(shuō)統(tǒng)計(jì)他們的數(shù)量了。

圖4.冷暗物質(zhì)（左）與自相互作用暗物質(zhì)模型（右）中暗物質(zhì)分布的示意圖，圖中顏色越紅代表密度越大。版權(quán)／林航平

不過(guò)敏感d 科學(xué)家們很快就意識(shí)到，如果稍微改變模型，無(wú)論是尖頂與內(nèi)核問(wèn)題，還是過(guò)多的子結(jié)構(gòu)問(wèn)題都將得到解決，溫暗物質(zhì)（Warm Dark Matter，簡(jiǎn)稱(chēng)：WDM）模型應(yīng)運(yùn)而生。

探索暗物質(zhì)暈的極限

暗物質(zhì)的屬性決定了我們很難直接接觸并研究這種物質(zhì)，不過(guò)好在它的諸多性質(zhì)還是能夠進(jìn)行間接測(cè)量。

科學(xué)家們真的有辦法直接找到暗物質(zhì)暈嗎？有可能。暗物質(zhì)暈本身不發(fā)光的特性使得它們成為了絕佳的引力透鏡天體，利用引力透鏡效應(yīng)，我們可以“輕松”找到這些暗物質(zhì)暈。只不過(guò)宇宙是如此浩瀚，即便星辰遍布天穹，暗物質(zhì)暈大量存在，暗物質(zhì)暈恰好位于恒星之前的概率依舊非常低。

圖5.哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)超暗矮星系Leo IV的光學(xué)波段觀測(cè)，里面真的什么都看不著。版權(quán)／NASA

而暗物質(zhì)的數(shù)值模擬之路也尚未到頭。宇宙級(jí)別的演化所需要的計(jì)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有人類(lèi)所有的計(jì)算機(jī)，但我們可以通過(guò)逐級(jí)放大的方法將這偌大的宇宙逐漸放大，最終得到足夠“微觀”的宇宙結(jié)果。對(duì)各種暗物質(zhì)模型的深入研究，正吸引著大批科研工作者。雖然冷暗物質(zhì)模型目前為廣大天文學(xué)者所認(rèn)同，但這一模型中仍舊存在諸多問(wèn)題暫時(shí)無(wú)法得到合理的解釋。

暗物質(zhì)的本質(zhì)究竟為何？也許再過(guò)幾年——或者幾十年，我們終將揭開(kāi)暗物質(zhì)的神秘面紗；也或許，如同可控核聚變那樣，我們距離暗物質(zhì)的真相永遠(yuǎn)還差50年。