出品：科普中國

作者：王清揚（中國科學院大學理論物理博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

你有沒有在遠離城市的地方，在夜晚仰望過星空？一旦遠離了燈火通明的城市，夜空仿佛成了一個巨大的黑幕，偌大的天穹除了幾點疏星若隱若現(xiàn)，再沒有任何光亮值得讓我們的視線駐留。我們看到的這些帶有光亮的物質，其實就是宇宙中的恒星、星云或星系，它們都屬于“可見物質”。

但現(xiàn)代科學告訴我們，宇宙中能夠通過電磁波信號探測到的可見物質只占物質總量的5%，剩下的95%都是不可見的暗物質和暗能量，它們不發(fā)光、不反射光，但是卻主導著整個宇宙的演化。那么，這些看不見、摸不著，卻掌控宇宙命運的神秘物質，到底是什么？讓我們先來揭開暗物質的面紗。

可見物質：我們看得見的宇宙

在了解暗物質之前，我們先來看看我們熟悉的可見物質。

簡單來說，可見物質就是會明顯地發(fā)光或者反射光的物質。我們在夜空中看到的各種星體、星云和星系，以及我們日常生活中看到的各種物質，都屬于可見物質。它們之所以能“被看見”，是因為它們參與了電磁相互作用力，這是物理學四大基本相互作用力中的一種，控制光、電、磁等現(xiàn)象。由于光就是一種電磁波，所以“會發(fā)光或反射光”基本上可以與“參與電磁相互作用”劃等號。只要一種物質明顯地參與電磁相互作用，那它原則上就可以算是可見物質。

要搞清楚這點，我們可以從原子說起。原子里有電子在不同軌道之間運動，不同軌道上的電子能量不同，因此這些軌道也叫做能級。但電子會經常從一個能級跳到另一個能級（這叫做能級躍遷），此時由于能級之間的能量差，它們在跳躍的時候會釋放出光粒子，也就是光子。當這些光子進入我們的眼睛，或者被望遠鏡探測到時，我們就“看到了”這些原子所在的物體。

不僅恒星、星云等宏觀天體屬于可見物質，就連光本身也屬于可見物質。宇宙中絕大多數(shù)的光是以微波背景輻射（CMB）的形式存在的。你可以把它想象成宇宙“出生”不久時留下的“余溫”——就像烤箱關掉后還留在空氣中的熱量。

CMB光子如今遍布整個宇宙，平均分布、無處不在。它們誕生于宇宙大爆炸后第38萬年，是我們能“看到”的最古老的光。只是隨著宇宙不斷膨脹，這些光的波長也被拉長，能量越來越低，大部分變成了我們眼睛看不到的微波。

所以，即使我們能看到的宇宙已經很廣闊了，它們其實只是5%的冰山一角。接下來，讓我們走出光亮，探索那隱藏在宇宙陰影中的另一種存在——暗物質。

暗物質：隱身的宇宙物質

與可見物質相對的就是暗物質。從定義上說，暗物質是一種幾乎不發(fā)光也不反射光的物質，或者說幾乎不參與電磁相互作用的物質。我們之所以知道它存在，是因為它在宇宙中的“引力”表現(xiàn)得非常明顯，牽引著星系和星系團的運動。

暗物質中，我們最熟悉的可能要數(shù)黑洞了。黑洞是宇宙中最極端的天體之一，它的引力強到連光都無法逃脫。這種特點讓它變得“漆黑一片”，也符合“不發(fā)光、不反射光”的暗物質定義。

有趣的是，黑洞并不是完全“沉默”的。根據(jù)物理學家霍金提出的理論，它們可以通過霍金輻射緩慢地釋放微弱能量，但這種能量極其微小，遠遠不足以讓我們直接觀察。

在天文觀測中發(fā)現(xiàn)黑洞一般是通過間接手段實現(xiàn)的。比如說觀測黑洞對周圍星體運行軌道的影響，天鵝座X-1中的黑洞就是通過這種方法發(fā)現(xiàn)的。也可以通過黑洞碰撞產生的引力波信號來發(fā)現(xiàn)黑洞，引力波實驗組LIGO目前已探測到近百個由黑洞碰撞產生的引力波信號。對于超大質量黑洞，它周圍會吸積大量發(fā)光的灼熱氣體，因此可以被射電望遠鏡觀測到，大名鼎鼎的黑洞照片就是這樣拍攝的。

事件視界望遠鏡（EHT）合作組拍攝的M87星系中心的超大質量黑洞

（圖片來源：EHT）

除此之外，在人類已發(fā)現(xiàn)的所有基本粒子當中，中微子也是一種典型的暗物質。這種粒子不參與電磁相互作用，只參與四大基本相互作用中的引力和弱相互作用，因此它與光子之間沒有任何直接的關聯(lián)。也正是因為中微子不參與電磁相互作用，它們與原子發(fā)生碰撞的概率非常非常小。具體有多小呢？可能平均每10億個中微子穿過地球，才會有一個碰撞到地球內的某個原子。這就是中微子又被稱為“幽靈粒子”的原因。它就像幽靈一樣，來去自如。不過請注意，中微子只是像幽靈，并不是幽靈。

那么，黑洞和中微子就是暗物質的主要組成部分嗎？實際上，這兩種暗物質加起來，其質量也只相當于全部可見物質的1%不到。然而，大量的天文觀測結果表明，宇宙中暗物質的總量遠不止那么少，甚至暗物質的總量超過了可見物質的5倍！因此必然存在更多人類目前尚未發(fā)現(xiàn)的暗物質。那么天文學家們是如何知曉宇宙中有這么多暗物質的呢？讓我們從一些著名的天文觀測證據(jù)開始談起。

暗物質的觀測證據(jù)

暗物質的研究歷史可以追溯到將近一百年前。那時候星系天文學剛剛興起，天文學家們開始認識到我們所在的銀河系并不是宇宙的全部，在銀河系之外還有眾多其他的星系。正如恒星會在引力的作用下聚集形成星系，星系之間也會由于引力而結團形成更大的星系團結構。一個星系團少則包含幾十個星系，多則包含幾千個星系，它們圍繞一個共同的中心運動，分布區(qū)域的半徑可達數(shù)百萬光年。

天文學家茲威基（F. Zwicky）和史密斯（S. Smith）對一些星系團開展觀測后發(fā)現(xiàn)，根據(jù)星系團的發(fā)光情況推算出的星系團質量（光度質量）要遠小于根據(jù)它內部的星系運動速度推算出的質量（動力學質量）。由于光度質量只能反映星系團中發(fā)光物質的質量，而動力學質量反映的是星系團的引力，因此這一觀測結果說明星系團中的絕大多數(shù)物質是不發(fā)光的，但我們能通過其顯著的引力效應來感知它們的存在。這就是暗物質最早的觀測證據(jù)。

星系團是由數(shù)百到數(shù)千個受引力束縛的星系組成的結構，圖中就是哈勃望遠鏡拍攝到的IDCS J1426星系團

（圖片來源：ESA/Hubble）

暗物質的第二項觀測證據(jù)來自于星系旋轉曲線。它是指星系中不同位置處的恒星繞星系中心旋轉的速度v與它們的旋轉半徑r之間的函數(shù)關系曲線vr. 在天文觀測上，測量星系中大量恒星的位置和速度就可以繪制出這條函數(shù)曲線。而在理論上，如果知道星系的質量分布，也可以根據(jù)引力理論去計算出這條函數(shù)曲線。

1970年，天文學家魯賓（V. Rubin）和福特（K. Ford）測量并繪制出了仙女星系的旋轉曲線。他們發(fā)現(xiàn)，星系旋轉曲線在遠距離處會趨于平坦，就像下圖的白色曲線所示。而根據(jù)星系中的可見物質質量分布，通過引力理論計算出的星系旋轉曲線卻是圖中紅色曲線。理論值與實際測量值在遠距離處存在非常大的分歧，反映出離星系中心較遠的恒星的實際運動速度比根據(jù)可見物質質量推導出的理論速度要快很多。

星系旋轉曲線示意圖

（圖片來源：earthsky.org）

天文學家們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系的旋轉曲線測量值都會在遠距離處遠大于理論值。這意味著什么呢？根據(jù)高中物理知識，天體旋轉的軌道半徑相同時，轉速越快，就需要越強的引力作為向心力來將天體束縛住。所以，如果星系的引力僅由可見物質提供，那么在星系外圍只有符合紅色曲線預言的低速運動的恒星才能被束縛在星系中，那些高速運動的恒星將會由于離心作用而被甩出星系。顯然，這種離譜的事情并沒有發(fā)生，高速運動的恒星也切實地被穩(wěn)定束縛在星系之中。因此，天文學家們判斷星系中不僅有可見物質，還存在大量不可見的暗物質，它們吸引著星系外圍的恒星，為恒星高速旋轉提供了足夠的引力作為向心力。

暗物質的第三項觀測證據(jù)來自于引力透鏡效應。這是廣義相對論預言的一種天文現(xiàn)象。在廣義相對論中，時空會被大質量天體所彎曲，光線在經過這些天體周圍時路徑會發(fā)生偏折，就像經過了一個透鏡一樣。由于星系團的質量非常大，所以它們的引力透鏡效應足夠強烈，能夠被哈勃望遠鏡觀察到。根據(jù)引力透鏡效應的觀測數(shù)據(jù)，天文學家們可以反推出星系團的質量分布，從而確定其中暗物質的分布。

由哈勃望遠鏡拍攝到的引力透鏡（環(huán)狀結構，它們就是因引力而發(fā)生偏折的光線）

（圖片來源：NASA）

2006年，一項針對子彈星系團的研究結果發(fā)布。天文學家們通過子彈星系團的引力透鏡效應推算出了它的質量分布，然后根據(jù)它發(fā)射的X射線信號推算出了星系團中可見物質的分布。如下圖所示，圖中紅色部分是由X射線信號反映出的子彈星系團中可見物質的分布，藍色部分則是由引力透鏡效應反推出的星系團總質量分布，可以看到二者是不重合的。這說明可見物質實際上并不能主導星系團的質量，它們只占星系團總物質的一小部分，星系團的大部分質量是由不可見的暗物質提供的。

子彈星系團的總質量分布（藍）和可見物質分布（紅）

（圖片來源：NASA）

暗物質還有一項重要的觀測證據(jù)來自于CMB各向異性的測量。前面我們說過，CMB是分布在整個宇宙中的自由穿梭的光子。把探測衛(wèi)星對準天空的各個方向，就可以接收到這些CMB，然后像畫世界地圖一樣畫出CMB在整個天空或者說天球上的分布，如下圖所示?？梢钥吹紺MB在有的方向上密集一些，有的方向上稀疏一些，這叫做CMB的各向異性。

宇宙微波背景輻射（CMB）在天空各個方向的分布。圖中暖色為輻射密度高的方向，冷色為輻射密度低的方向

（圖片來源：Planck collaboration）

通過數(shù)學手段可以把觀測到的CMB的天球分布按照球諧函數(shù)展開，得到一個各向異性譜函數(shù)，如下圖所示。這和暗物質有什么關系呢？實際上，根據(jù)現(xiàn)代宇宙學的理論和模型，我們可以推導出這個函數(shù)。理論推導出的函數(shù)圖像與很多宇宙學參數(shù)有關，這其中就包括宇宙中各種物質組分的占比。設置不同的物質組分占比可以得到不同的函數(shù)圖像。宇宙學家們發(fā)現(xiàn)，當設置宇宙中可見物質、暗物質、暗能量的占比分別為5%、26%、69%的時候，就可以將理論推導出的函數(shù)曲線與實際觀測到的各向異性譜最佳擬合。而如果不引入暗物質和暗能量，那么無論如何也解釋不了觀測到的各向異性譜。因此，這個結果證實了暗物質和暗能量的存在。

宇宙微波背景輻射（CMB）的各向異性譜，它反映了各個角分辨率上CMB的漲落幅度。橫軸l被定義為180°除以角分辨率，縱軸數(shù)字越大表示這個角分辨率下的漲落幅度越強。

（圖片來源：NASA）

暗物質可能是什么？

前面我們說過，像中微子、大質量黑洞這些已知的暗物質的總量與可見物質相比是非常少的，可能還不到可見物質的1%，但是CMB各向異性譜的測量結果卻告訴我們宇宙中暗物質的占比是可見物質的5倍多。所以，絕大多數(shù)暗物質都是人類尚未知曉的物質組分。

暗物質可能是什么呢？一種被廣泛考慮的可能性是未知的粒子。人類目前已發(fā)現(xiàn)的微觀粒子種類非常多。但其中能夠穩(wěn)定存在的只有電子、光子、中微子、質子以及原子核內的中子。其他粒子的壽命都非常短，會在產生后很快衰變，因此不可能作為暗物質。

為了解釋暗物質，理論物理學家們從基本理論出發(fā)構建了許許多多可能的暗物質粒子模型，包括超對稱粒子、軸子、惰性中微子、暗光子等等。為了尋找這些未知的粒子，實驗物理學家們也針對不同的理論模型設計了許多種實驗方案，主要包括深地實驗、空間衛(wèi)星實驗還有粒子對撞機實驗等。不過它們都沒有發(fā)現(xiàn)顯著的暗物質信號。

可能有的讀者會感到疑惑，難道我們的宇宙中不存在未知的粒子嗎？并不是。實際上，人類目前所能實現(xiàn)的實驗精度十分有限，只能夠做到排除暗物質物理參數(shù)范圍的一小部分。還有更多的參數(shù)范圍是當前的實驗難以企及的，暗物質粒子的信息可能就隱藏在其中的某個角落。

中國錦屏地下實驗室示意圖，暗物質探測實驗CDEX、PandaX在這里開展

（圖片來源：中國錦屏地下實驗室）

另一種可能的暗物質是原初黑洞。之前我們提到的黑洞都是由恒星坍縮而來的大質量黑洞，它們的質量無一例外都超過了奧本海默極限（約2倍太陽質量）。然而，黑洞不僅可以從恒星坍縮而來。在宇宙剛誕生，恒星還不存在的時候，宇宙中可能存在強烈的密度漲落，也就是說某些區(qū)域的物質密度小一些，某些區(qū)域的物質密度大一些。從概率上講，會存在一些物質密度特別大的區(qū)域，這些區(qū)域中的物質甚至可以在引力的作用下直接坍縮形成黑洞，這就是所謂的原初黑洞。

原初黑洞的質量可能很小，遠低于我們熟悉的恒星死亡后形成的黑洞。這種小黑洞，不容易被我們觀測到，但理論上它們可以大量存在，組成暗物質的大部分。但是目前的觀測也沒有找到原初黑洞的“直接證據(jù)”。一些數(shù)據(jù)甚至已經排除了它們在某些質量范圍內的存在。未來，還需要更多精確的觀測來驗證這個猜想。

有關暗物質的故事到此告一段落。我們看到，這種神秘物質在宏觀上展現(xiàn)出了強大的引力效應，足以主導星系、星系團的運動。而在微觀上，它卻悄悄隱去了身影，連目前最靈敏的探測器都無法捕捉到它的蹤跡。想要闡明暗物質的物理本質，人類可能還有很長的路要走。