你有沒有在遠(yuǎn)離城市的地方，在夜晚仰望過星空？一旦遠(yuǎn)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(zhì)，其實就是宇宙中的恒星、星云或星系，它們都屬于“可見物質(zhì)”。

但現(xiàn)代科學(xué)告訴我們，宇宙中能夠通過電磁波信號探測到的可見物質(zhì)只占物質(zhì)總量的 5%，剩下的 95%都是不可見的暗物質(zhì)和暗能量，它們不發(fā)光、不反射光，但是卻主導(dǎo)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(zhì)，到底是什么？讓我們先來揭開暗物質(zhì)的面紗。

可見物質(zhì)：我們看得見的宇宙

在了解暗物質(zhì)之前，我們先來看看我們熟悉的可見物質(zhì)。

簡單來說，可見物質(zhì)就是會明顯地發(fā)光或者反射光的物質(zhì)。我們在夜空中看到的各種星體、星云和星系，以及我們?nèi)粘Ｉ钪锌吹降母鞣N物質(zhì)，都屬于可見物質(zhì)。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(xué)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(zhì)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(zhì)。

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(jīng)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(dāng)這些光子進(jìn)入我們的眼睛，或者被望遠(yuǎn)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(zhì)，就連光本身也屬于可見物質(zhì)。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(guān)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(jīng)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(zhì)。

暗物質(zhì)：隱身的宇宙物質(zhì)

與可見物質(zhì)相對的就是暗物質(zhì)。從定義上說，暗物質(zhì)是一種幾乎不發(fā)光也不反射光的物質(zhì)，或者說幾乎不參與電磁相互作用的物質(zhì)。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(tuán)的運動。

暗物質(zhì)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(zhì)定義。

有趣的是，黑洞并不是完全“沉默”的。根據(jù)物理學(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的引力波信號。對于超大質(zhì)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(yuǎn)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(yuǎn)鏡（EHT）合作組拍攝的M87星系中心的超大質(zhì)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(dāng)中，中微子也是一種典型的暗物質(zhì)。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(guān)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(nèi)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(zhì)的主要組成部分嗎？實際上，這兩種暗物質(zhì)加起來，其質(zhì)量也只相當(dāng)于全部可見物質(zhì)的 1%不到。然而，大量的天文觀測結(jié)果表明，宇宙中暗物質(zhì)的總量遠(yuǎn)不止那么少，甚至暗物質(zhì)的總量超過了可見物質(zhì)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(zhì)。那么天文學(xué)家們是如何知曉宇宙中有這么多暗物質(zhì)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(zhì)的觀測證據(jù)

暗物質(zhì)的研究歷史可以追溯到將近一百年前。那時候星系天文學(xué)剛剛興起，天文學(xué)家們開始認(rèn)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(jié)團(tuán)形成更大的星系團(tuán)結(jié)構(gòu)。一個星系團(tuán)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(dá)數(shù)百萬光年。

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

星系團(tuán)是由數(shù)百到數(shù)千個受引力束縛的星系組成的結(jié)構(gòu)。圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛

暗物質(zhì)的第二項觀測證據(jù)來自于星系旋轉(zhuǎn)曲線。它是指星系中不同位置處的恒星繞星系中心旋轉(zhuǎn)的速度 v 與它們的旋轉(zhuǎn)半徑 r 之間的函數(shù)關(guān)系曲線 v(r). 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(zhì)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(xué)家魯賓（V. Rubin）和福特（K. Ford）測量并繪制出了仙女星系的旋轉(zhuǎn)曲線。他們發(fā)現(xiàn)，星系旋轉(zhuǎn)曲線在遠(yuǎn)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(zhì)質(zhì)量分布，通過引力理論計算出的星系旋轉(zhuǎn)曲線卻是圖中紅色曲線。理論值與實際測量值在遠(yuǎn)距離處存在非常大的分歧，反映出離星系中心較遠(yuǎn)的恒星的實際運動速度比根據(jù)可見物質(zhì)質(zhì)量推導(dǎo)出的理論速度要快很多。

星系旋轉(zhuǎn)曲線示意圖 圖片來源：earthsky.org

天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系的旋轉(zhuǎn)曲線測量值都會在遠(yuǎn)距離處遠(yuǎn)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(zhuǎn)的軌道半徑相同時，轉(zhuǎn)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(zhì)提供，那么在星系外圍只有符合紅色曲線預(yù)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(xué)家們判斷星系中不僅有可見物質(zhì)，還存在大量不可見的暗物質(zhì)，它們吸引著星系外圍的恒星，為恒星高速旋轉(zhuǎn)提供了足夠的引力作為向心力。

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

由哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝到的引力透鏡（環(huán)狀結(jié)構(gòu)，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(tuán)的研究結(jié)果發(fā)布。天文學(xué)家們通過子彈星系團(tuán)的引力透鏡效應(yīng)推算出了它的質(zhì)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(tuán)中可見物質(zhì)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(tuán)中可見物質(zhì)的分布，藍(lán)色部分則是由引力透鏡效應(yīng)反推出的星系團(tuán)總質(zhì)量分布，可以看到二者是不重合的。這說明可見物質(zhì)實際上并不能主導(dǎo)星系團(tuán)的質(zhì)量，它們只占星系團(tuán)總物質(zhì)的一小部分，星系團(tuán)的大部分質(zhì)量是由不可見的暗物質(zhì)提供的。

子彈星系團(tuán)的總質(zhì)量分布（藍(lán)）和可見物質(zhì)分布（紅）圖片來源：NASA

暗物質(zhì)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(zhǔn)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。可以看到 CMB 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(xué)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(zhì)有什么關(guān)系呢？實際上，根據(jù)現(xiàn)代宇宙學(xué)的理論和模型，我們可以推導(dǎo)出這個函數(shù)。理論推導(dǎo)出的函數(shù)圖像與很多宇宙學(xué)參數(shù)有關(guān)，這其中就包括宇宙中各種物質(zhì)組分的占比。設(shè)置不同的物質(zhì)組分占比可以得到不同的函數(shù)圖像。宇宙學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)置宇宙中可見物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量的占比分別為 5%、26%、69%的時候，就可以將理論推導(dǎo)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(zhì)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(jié)果證實了暗物質(zhì)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(zhì)可能是什么？

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

暗物質(zhì)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(zhì)子以及原子核內(nèi)的中子。其他粒子的壽命都非常短，會在產(chǎn)生后很快衰變，因此不可能作為暗物質(zhì)。

為了解釋暗物質(zhì)，理論物理學(xué)家們從基本理論出發(fā)構(gòu)建了許許多多可能的暗物質(zhì)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(xué)家們也針對不同的理論模型設(shè)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(jī)實驗等。不過它們都沒有發(fā)現(xiàn)顯著的暗物質(zhì)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(zhì)物理參數(shù)范圍的一小部分。還有更多的參數(shù)范圍是當(dāng)前的實驗難以企及的，暗物質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量黑洞，它們的質(zhì)量無一例外都超過了奧本海默極限（約 2 倍太陽質(zhì)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(zhì)密度小一些，某些區(qū)域的物質(zhì)密度大一些。從概率上講，會存在一些物質(zhì)密度特別大的區(qū)域，這些區(qū)域中的物質(zhì)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(zhì)量可能很小，遠(yuǎn)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(zhì)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(jīng)排除了它們在某些質(zhì)量范圍內(nèi)的存在。未來，還需要更多精確的觀測來驗證這個猜想。

有關(guān)暗物質(zhì)的故事到此告一段落。我們看到，這種神秘物質(zhì)在宏觀上展現(xiàn)出了強大的引力效應(yīng)，足以主導(dǎo)星系、星系團(tuán)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(zhì)的物理本質(zhì)，人類可能還有很長的路要走。

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出品丨科普中國

作者丨王清揚 中國科學(xué)院大學(xué)理論物理博士

監(jiān)制丨中國科普博覽

審校丨徐來、林林