什麼是暗物質宇宙呢？

很高興和大家在剛剛的知乎 Live —— 《探索暗物質宇宙》中聊了暗物質的發展歷史。

我自己研究的方向是通過引力透鏡效應研究暗物質分布和暗物質性質。暗物質粒子模型和暗物質直接探測，我的了解比較淺，可能有回答錯誤的地方，也歡迎大家指出。

這次的討論的提綱，主要基於我最近為賽先生寫的一篇科普文章（但是增加了歷史細節和更深入的討論），大家可以參考（原載於《賽先生》，有刪節修改，我自己感覺 Live 講的比這篇小文章更有意思一些： ） ）

發現暗物質宇宙

1933 年，加州理工大學的瑞士天文學家茨威基在研究星系團時發現了奇怪的現象：星系相互之間的速度似乎太快了。星系團是星系的集合體，可以包含數百個明亮的星系，這些星系由共同的引力場束縛。茨威基研究的星系團被稱作 " 后髮座星系團 ( Coma cluster ) "，距離銀河系 3 億光年。茨威基的同事史密斯 ( Sinclair Smith ) 用當時世界上最好的望遠鏡收集了星系團中成員星系的速度。利用引力理論，天文學家可以通過星系的運動速度推斷星系團的總質量，星系的運動速度越快，說明束縛它們的引力場越強大，也就意味著星系團的總質量越大。而茨威基通過星系速度推斷出星系團質量顯得太大了些，要比星系的質量多出幾百倍。茨威基一生從不缺乏命名新鮮事物的熱情和天才，他很快將星系團中隱藏的質量命名為 " 暗物質 "。但由於缺乏其他的獨立觀測佐證，在之後的三十年里，暗物質的概念不時被人提起，卻又沒有人認真對待。

局面在 1960 年後發生了改變，這一次證據來自臨近宇宙中的漩渦星系。長縫光譜儀的發展使得天文學家可以一次拍攝河外星系不同區域的恆星軌道運動速度，也就是所謂的 " 星系旋轉曲線 "。和星系團中的星系運動同理，星系中恆星的軌道運動越快，意味著星系質量越大。美國卡內基研究所的 Vera Rubin 和 Kent Ford 在此後的十年間系統的調查了近鄰星系的旋轉曲線。他們的研究表明，所有的旋臂星系外圍的恆星似乎都轉的太快了，如果星系主要的質量來自發光物質，那麼這些星系外圍的恆星應該早已逃逸而去。這些近鄰的漩渦星系中至少應該包含比發光物質多 6 倍的暗物質，才能解釋觀測的旋轉曲線。

宇宙中存在不發光的物質本身並沒有什麼了不起。人們早就知道宇宙中包含大量的不發光的氣體，這些氣體四分之三是氫元素，四分之一是氦元素，都是宇宙大爆炸初期合成的。由於自身的引力作用，氣體會慢慢聚集在一起形成氣體雲，並進一步密集，最終塌縮。當氣體雲中心的密度超過熱核反應的臨界密度，恆星就被點亮了。但恆星遠沒有用盡宇宙中的氫氦元素，星系中可能存在大量這樣的氣體，不少人猜測也許它們的質量足以束縛星系外圍的恆星，使得它們老老實實的帶在星系中不逃離出去。

然而在七十年代，星系團的觀測有了新的進展。人們觀測到了星系團中的氣體。這些氣體的溫度非常高，達到了 10^7 度，這使得它們可以發出 X-ray 輻射。通過 X-ray 衛星觀測，人們就可以估計星系團中氣體的質量，而這一質量驚人達到了恆星質量的 5 倍。但這些新發現的氣體卻並不能為消失的質量負全責。事實上，熱氣體的發現反而加劇了質量確實問題，因為這些氣體溫度太高了，如果沒有強大的引力勢阱束縛，這些氣體就會在很短的時間裡從星系團中逃逸殆盡。而束縛這些氣體所需要的物質量，又是這些熱氣體氣體質量的 10 倍左右。

2. 暗物質：宇宙大尺度結構的啟示

星系團熱氣體的發現促使科學家們嚴肅考慮非重子的暗物質粒子。也就是說，這些看不見的物質也許並不是原子，分子這些構成我們世界的普通物質，而是另一種不在標準模型中的基本粒子。這種暗物質不發出電磁波，也不和可見物質進行相互作用。但天文學家仍然可以通過暗物質的引力效應觀測到它。利用廣義相對論預言的引力透鏡效應，人們甚至可以繪製暗物質在宇宙中的分布。圖一是三種觀測疊加的圖像，顯示了著名的 " 子彈星系團（bullet cluster）" 中物質分布的情況。其中，星系圖像是光學望遠鏡拍攝到的。這些星系構成了一個星系團。通過 X-ray 望遠鏡，人們可以觀測到星系團中熱氣體的分布，在圖片中顯示為紅色的氣體雲。而藍色的暈狀成分則顯示了由引力透鏡分析繪製出的暗物質分布情況。讀者可以很容看到圖片右側的錐形氣體分布，這說明該星系團剛剛由兩個星系團合并而來。星系團 A ( 右側 ) 像子彈一樣打入了星系團 B（左側）的內部。而最右邊的藍色暈，事實上是原本屬於星系團 A 的暗物質。在兩個星系團合并的過程中，暗物質因為不和普通物質發生相互作用，於是以更快的速度穿過了彼此，而熱氣體團塊因為受到相互之間的阻力，反而落在了暗物質後面。

那麼暗物質是什麼樣的粒子呢？在 70 年代暗物質存在被肯定的時候，科學家們一度認為中微子就是暗物質的真身。因為在大統一理論建立後，物理學家們意識到理論上中微子可以具有質量。而七十年代末的實驗測量更是顯示中微子質量可能在 30eV 左右。這些測量在現在看來顯然是高估了中微子的質量，但卻在當時使得人們把中微子看做暗物質最可能的候選者。這樣質量很小的粒子，在宇宙早期具有極高的動能，因此被稱作 " 熱暗物質 "。但與此相對的，理論學家也提出數種 " 冷 " 暗物質的候選者。 相比熱暗物質，冷暗物質粒子的質量要大的多，在宇宙早期的速度非常低。

如何區分這兩種不同的暗物質模型？研究者需要到宇宙的結構中去尋找答案。在大爆炸宇宙學框架下，宇宙的早期處於高溫高熱的狀態，物質密度處處相等，只存在微小的起伏。隨著宇宙膨脹，溫度降低，物質之間的引力開始推動宇宙中的結構形成。今天我們看到的星球，恆星，星系甚至星系團，都是演化而來。而考慮到暗物質的總質量是普通物質的數倍，這些隱藏的質量事實上主導了宇宙中的結構形成。

80 年代，哈佛大學 Davis 和 Simon White, Carlos Frenk, 以及 Efstathiou 一道利用計算機數值模擬分析了宇宙中的暗物質演化。他們的研究表明，宇宙中觀測到的星系分布結構和冷暗物質宇宙的預言更加相似。

然而暗物質的本質為何，今天我們仍不知道。目前認為最有可能的暗物質模型是 WIMP，弱相互作用大質量粒子。但人們仍然沒有從對撞機或直接探測器中發現 WIMP 的真身。暗物質之謎，仍然有待未來的天文學研究者去解開。

作者：狐狸先生

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