在時間尚未誕生的深淵中，那個不可名狀的巨人蜷縮成一個點。他的軀體由沸騰的量子泡沫與暴脹的時空褶皺構成，每一寸血肉都浸透著混沌的胎動——直到138億年前，他在虛無中發出第一聲啼哭。

那是宇宙大爆炸的尖嘯。

宇宙巨人的骨骼在創世之初便已成型，卻無人得以窺視其形貌。當熾熱的原始火球逐漸冷卻，構成平凡世界的質子與電子仍在等離子迷霧中掙扎糾纏時，那些幽暗的骸骨早已穿透維度，以超越光速的冰冷觸須編織出龐大的引力蛛網。它們被后世稱作“暗物質”，實則是巨人真正的骨架——扭曲的、不可直視的、在電磁波譜中永遠沉默的宇宙骸骨。

暗物質示意圖。版權 / KIPAC AMNH

/宇宙骸骨：

暗物質編織的時空網絡

在宇宙誕生的最初三分鐘，光與物質尚未分離。原初的等離子湯中，夸克與膠子如沸騰的熔巖般翻滾，光子被囚禁于這混沌的牢籠——直到大爆炸后約38萬年，隨著宇宙在膨脹中逐漸冷卻，電子與質子結合為中性原子，光子終于掙脫束縛，化作宇宙微波背景輻射中永恒的光之漣漪。但在這史詩般的“黎明”誕生之前，另一種更古老的物質早已悄然編織宇宙的脈絡。它們是暗物質——沒有電荷、不與電磁波對話的幽靈，在物質與輻射解耦前的極早期宇宙中，便已掙脫熱力學枷鎖。這些冰冷的粒子以絕對零度般的沉寂，滲入時空的褶皺，用引力在虛空中刻下第一道傷痕。

這些傷痕名為引力勢阱。

暗物質粒子在引力作用下聚集成團，組成球狀的“暗物質暈（Dark Matter Halo，簡稱暗暈）”，這些暗暈通常直徑可達數萬甚至數億光年，但在浩瀚的宇宙當中，它們仍舊如同深海中渺小的磷火魚群，僅是在虛無中勾勒出密度起伏的波紋。這些波紋在暴脹的時空幕布上不斷放大，逐漸凝結為縱橫交錯的引力蛛網。這具看不見的宇宙骸骨在宇宙的黑暗時代就已經大致完成，因此當重子物質（構成恒星與行星的物質）從等離子體中冷卻時，它們便如同墜入蛛網的飛蛾，被暗物質編織的引力勢阱捕獲。

星系周圍的藍色物質暈代表的是科學家預期的暗物質分布。/ ESO/L. Cal?ada

當暗物質框架穩固后，普通物質開始在暗暈的引力作用下墜入，引發氣體的坍縮和升溫，最終觸發核聚變，第一代恒星由此誕生，開始宣告宇宙黑暗時代走向終點。這些早期的大質量恒星的生命周期結束時發生超新星爆發，將重元素拋灑至暗暈外圍，為行星與生命的形成埋下伏筆。在這一過程中，暗物質則繼續作為引力的支架，支持著星系的形成與演化。

暗物質占據了超過四分之一的宇宙組分，而普通的重子物質則僅占不足5%。龐雜的暗物質在引力的作用下，構建了宇宙中龐大的纖維狀結構——宇宙網，而這張宇宙網就成為了貫穿整個可觀測宇宙的引力框架。星系團（如室女座超星系團）形成于宇宙網絲線纖維交匯處，而絲線之間的空洞則延伸出直徑數億光年的虛無疆域。我們所在的銀河系，正懸浮在這張巨網上的一條次級絲線的末端，如同一粒微小的露珠。中國郭守敬望遠鏡（LAMOST）的大規模光譜巡天數據顯示，銀河系所在的拉尼亞凱亞超星系團，正是依附于一條橫跨5.2億光年的暗物質纖維。

左圖是Sloan Digital Sky Survey觀測到的我們鄰近約二十億光年范圍內的星系分布，圖中每個點表示一個星系。右圖是名為ELUCID的超級計算機模擬顯示的暗物質在相同空間范圍內的密度分布。從黃色、白色、藍色到黑色，顯示了從高到低的暗物質密度。/ 王慧元；Wang et al. 2016, ApJ, 831, 164

而這，便是標準宇宙學模型（ΛCDM model）中，對于宇宙誕生和演化的闡釋。

/從幽靈到現實：

一場不可知的科學狂想

1906年，法國數學家亨利·龐加萊在評述開爾文勛爵關于銀河系質量矛盾的文章時，首次用“matière obscure”一詞描述那些隱匿的“黑暗天體”——這是人類第一次以科學的名義，為不可見的宇宙存在賦予名字。開爾文勛爵曾通過恒星運動速度估算銀河系總質量，卻發現可見物質僅占極小比例，剩余的引力缺口如同深淵，吞噬著所有已知的物理法則。龐加萊的命名如同一把鑰匙，打開了通往幽靈宇宙的大門，但當時的科學界尚未準備好直面這種顛覆性的可能：若宇宙的骨架由不可見的物質構成，那么人類引以為傲的“觀測即真理”的認知體系或許將轟然崩塌。

這場狂想的序章在1933年迎來第一個高潮。瑞士天文學家弗里茨·茨威基凝視著后發座星系團的旋轉數據，發現星系的速度遠超引力公式的預言——若僅依賴可見物質，這個包含千余星系的龐然大物早已分崩離析。他斷言，星系團中99%的質量屬于某種“不可見的存在”，并預言其總量遠超可見物質。

宇宙大尺度下的暗物質分布（圖中淡藍色部分）/ NASA

正當弗里茨·茨威基（Fritz Zwicky）凝視后發座星系團的狂亂星系運動時，荷蘭天文學家簡·奧爾特（Jan Oort）正將目光投向銀河系的心臟，他在那里首次遭遇了“隱匿質量”的悖論：通過測量太陽附近恒星的動力學特性（動力學方法），他計算出該區域的質量密度是光學方法（基于恒星亮度估算質量）的兩倍以上。這種矛盾暗示著銀河系中潛伏著無法被望遠鏡捕捉的“黑暗物質”，它們像無形的錨鏈，束縛著恒星的運動軌跡。

然而，這一結論在當時的科學界如同異端，兩位先驅的結論在當時飽受質疑。奧爾特的數據被歸因于“未觀測到的暗淡恒星或氣體”，而茨威基的激進假說則被視為“數學幻想”。“暗物質”的存在被束之高閣，直到四十年后，另一位天文學家的觀測為這場幽靈狩獵注入新的生命力。

1970年，薇拉·魯賓與肯特·福特通過仙女座星系的旋轉曲線發現，外圍恒星的公轉速度并未如牛頓力學預言般衰減，反而恒定如鐘擺。這一現象的唯一合理解釋是：星系外圍被某種無形物質包裹，其引力如蛛網般束縛著星辰。魯賓的發現如同一記驚雷，迫使科學界承認暗物質不僅是數學方程中的幽靈，更是宇宙結構的真正主宰。

如果只有重子物質存在，星系自轉曲線應當同紅線一般在星系外圍迅速衰減，然而實際的觀測卻發現并非如此，這意味著星系外圍有著大量“看不到”的物質存在。率先發現這一現象的科學家之一便是杰出的女性科學家薇拉·魯賓。來源 / 網絡

早期的科研工作者曾經寄希望于依靠暈族大質量致密天體（Massive Compact Halo Object，縮寫為MACHO）來解決暗物質難題。這些由中子星、褐矮星或原始黑洞構成的幽暗天體，如同恒星墳場中徘徊的亡靈，被寄望于填補星系質量缺口的深淵。1992年美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory；LLNL）啟動了MACHO巡天計劃，以愛因斯坦預言的微引力透鏡效應為探測利器：當致密天體經過背景恒星前方時，其引力場會短暫聚焦星光，引發持續數日至數周的亮度增強。科學家們用澳大利亞的望遠鏡凝視大麥哲倫云中數百萬顆恒星，試圖從光變曲線中捕捉暗物質的蛛絲馬跡。然而，歷經七年的觀測僅發現約20例候選事件，對于銀河系內整體的觀測數據分析顯示MACHOs的總質量尚不足銀河系暗物質暈的20%。這無異于宣判了重子物質作為暗物質主體的死刑——宇宙的骨架很難由恒星尸骸鑄成。

圖中靠右所顯示的紅色弧線是被引力透鏡扭曲的背景星系。這些圖像的數量、位置和畸變程度取決于前景中暗物質的分布。版權 / ESA/Hubble & NASA, A. Newman, M. Akhshik, K. Whitaker

MACHO研究的潰敗，卻為粒子物理打開了一扇新窗。當致密天體的假設被證偽，科學界不得不直面更詭異的可能：暗物質或許已經超越標準模型的疆域，在弱力或超對稱的陰影中游蕩。20世紀80年代，冷暗物質模型（Cold Dark Matter）的提出為這場狂想注入了理性框架。該模型認為，暗物質由弱相互作用大質量粒子（英語：Weakly interacting massive particles，簡稱WIMP）構成，它們在宇宙早期以冰川般的緩慢速度聚集，編織出引力勢阱的骨架，重子物質隨后墜入其中，凝結為星系與星云。冷暗物質模型統治的標準宇宙模型由此確立，WIMPs與軸子成為新的圣杯。而MACHO計劃的遺產并未消亡：微引力透鏡技術則蛻變為系外行星獵人的利器，NASA的開普勒空間望遠鏡和TESS（凌日系外行星巡天衛星）用它搜尋遙遠世界的生命呼吸；LIGO探測到的原初黑洞合并事件，也仍在挑戰暗物質與重子物質的邊界。

然而，暗物質的本質始終籠罩在迷霧中。標準宇宙模型完美解釋了宇宙大尺度結構的形成，卻也將矛盾推向更深的維度：為何至今無人捕捉到暗物質的蹤跡？

to be continued.

來源：中國國家天文

編輯：千里雁啼

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