如果沒有暗物質，宇宙會是什么樣子？以研究大爆炸理論著稱的美國理論天體物理學家和科學作家伊桑·西格爾(Ethan Siegel)在《大思考》上作了具有獨特見解的解答

宇宙中暗物質分布的三維圖

我們的宇宙是由其內部所有不同形式的能量塑造的:光子、中微子、正態物質、暗物質和暗能量，至少據到目前我們所知是這樣。

只有所有這些因素結合在一起，宇宙才會像我們測量的那樣膨脹，星系會像我們看到的那樣聚集，而CMB(宇宙微波背景輻射)會像我們觀察到的波動一樣膨脹。如果我們把暗物質（或任何行為方式與暗物質相同的東西）從方程式中去掉會怎樣？我們的宇宙會有什么不同？答案將是非常引人入勝。

在我們自己的太陽系中，我們觀察和測量的大質量物體主要是普通物質。人類、行星、衛星，甚至太陽，其核心都是由相同類型的成分組成的:質子、中子和電子，結合成不同的原子核、原子、分子，甚至更宏大的結構。當我們觀察這些天體的軌道時，暗物質幾乎沒有任何空間；甚至連其存在及其對太陽系尺度的影響微不足道。但當我們觀察更大的宇宙尺度時，包括: 星系的尺度、在相互作用的星系對上、在星系群和星團中、在星系團碰撞時、以及并且在宇宙網的大規模、絲狀結構中，暗物質占據主導地位，普通物質發揮著重要的發光作用，但在引力作用上次要。

這足以讓人感到奇怪，如果暗物質在這些大宇宙尺度上如此重要，如果它根本不存在，我們的宇宙會有什么不同？

如果我們沒有暗物質的影響（無論結果如何），宇宙會有多大不同？這里或許使用了‘暗物質的影響’，而不僅僅是‘暗物質’，以防事實證明沒有暗物質，暗物質只是宇宙中我們目前還不了解的某些特性。

為了了解宇宙會有什么不同，我們首先要回到起點，了解暗物質扮演的角色。只有這樣，我們才能將它與沒有暗物質的場景進行比較。讓我們來找出答案吧！

當熱大爆炸剛剛開始時，宇宙中充滿了所有可以想象到的粒子和反粒子。在這些非常高的能量、溫度和密度下，任何可能被創造的東西都被創造出來了，包括標準模型中的每一個量子。無論暗物質是什么，無論是WIMP（Weakly Interacting Massive Particle）即弱相互作用大質量粒子、軸子還是其他物質，在很早以前也被創造出來。雖然宇宙在密度上幾乎完全均勻，平均約為三萬分之一。

隨著宇宙的膨脹和冷卻，宇宙歷史上發生了許多有趣的演變：

• 電弱對稱性破裂。
• 希格斯場賦予已知粒子靜止質量。
• 夸克（和反夸克）結合成強子，包括質子和中子。
• 反物質會湮滅，只留下一小部分的正常物質多于反物質（每16億個光子對應一個質子或中子）。
• 核反應發生，產生輕元素及其同位素:氫、、氦-3、氦-4和鋰-7，最顯著。
• 然后，38萬年后，當宇宙變得足夠冷時，中性原子會形成，因為電子會與原子核結合。

但是在這最后兩個步驟之間——核合成之后但穩定的中性原子形成之前——宇宙歷史的這個“無聊”部分決定了這些初始密度波動的演變方式。

（圖片說明：宇宙微波背景中的波動，通過COBE（大尺度）、WMAP（中尺度）和普朗克（小尺度）測量，不僅與（略微傾斜但幾乎完美的）尺度不變的量子波動集一致，而且其數量如此之低，以至于它們不可能從任意熱、密集的狀態中產生。水平線代表波動的初始光譜（來自膨脹），而波動線代表重力和輻射/物質相互作用在早期階段如何塑造膨脹的宇宙。）

在較小的宇宙尺度上，與宇宙地平線（或自熱大爆炸開始以來光的傳播距離）相比，這些密度波動經歷以下步驟。

• 重力吸引越來越多的物質進入過密區域，進一步增加了它們的密度。
• 隨著密度的增加，輻射從這些區域流出，將正常物質（特別是電子）推出，但不包括暗物質。
• 這導致密度下降，從而導致波動:這些區域周期性地增長和收縮。
• 隨著宇宙的膨脹，越來越大的尺度開始入侵和增長，然后流出和收縮，然后振蕩。
• 直到最后，當中性原子形成時，過度密度會有一個大的“峰值”，物質會首次落入這個峰值，但從未被推出。

這個過程在宇宙微波背景的溫度中產生了一系列高峰和谷地；高峰最高的地方，超密度最強。數百萬甚至數十億年后，最高的高峰將轉化為最大的質量超密度，導致這些尺度的宇宙結構:星團、矮星系、大型星系、星系群和星團，甚至最終是宏大的宇宙網。那些最初看起來很小且不重要的小宇宙種子，最終將成長為宇宙所擁有的結構。

（圖片說明：如果我們的望遠鏡能夠讓我們可以任意遙遠地觀察宇宙，星系的聚集應該揭示一個特定的距離尺度（聲學尺度），這個尺度應該以特定的方式隨著時間演變，就像宇宙微波背景中的聲學“峰谷”也揭示了這個尺度一樣。印在CMB中的種子演變為從星系尺度到宇宙網的大規模結構，這種結構在宇宙中出現的時間較晚。）

當這些結構形成時——例如星系這樣的結構——它們最初會將物質吸入其中，無論這些物質是正常物質還是暗物質。如果暗物質的豐富度是正常物質的五倍，那么在每個形成的結構（例如每個星系）中，初始成分將是約17%的正常物質和約83%的暗物質。然而，這兩種物質的行為從根本上是不同的。

• 普通物質除了引力外，還能碰撞、粘合、加熱、吸收和發光、散發線性和角動量，并形成坍塌結構，包括氣流、恒星和黑洞等。
• 另一方面，暗物質只能受引力作用。它不能碰撞、粘合、吸收或發射光線，也不能坍縮。除了純粹通過引力作用外，它與任何其他形式的物質或輻射（包括正常物質和光線）沒有已知的相互作用。

因此，現代星系通常有兩個組成部分:一個由正常物質構成的緊湊型重子成分，所有恒星、星團、氣體、塵埃、恒星殘余物、行星等都存在；另一個由暗物質構成的擴散型非重子成分巨大，存在于一個巨大的“蓬松”光暈中，光暈的延伸范圍是重子（正常物質）成分的許多倍。

（圖片說明：一個星系團可以根據現有的引力透鏡數據重建其質量。大多數質量不是在單個星系內部發現的，如這里的峰值，而是從星系團內的星際介質中發現的，暗物質似乎位于這些介質中。更細粒度的模擬和觀測也可以揭示暗物質的子結構，這些數據與冷暗物質的預測非常一致。如果沒有暗物質的引力效應，大多數星系會在主要恒星形成期間自行分裂。）

這非常重要，原因有很多，但可以說最重要的是:暗物質負責一個星系的大部分引力勢。當星系內首次形成恒星時，當氣體云崩潰和碎裂時，這些物質的集合:

• 加熱，
• 釋放風和輻射，
• 在它們的核心點燃核聚變，
• 對于質量最大的恒星來說，它們會迅速耗盡燃料，死于超新星等恒星災難。

來自大質量恒星的風和輻射，以及來自超新星的沖擊波，對任何剩余的正常物質施加了強大的外向壓力，并且可以電離并使其加速。

如果這些年輕星系內部的引力太小，那么100%沒有立即形成恒星的正常物質都會被拋出。這種效應在質量最低的星系（總體上物質和引力最少）和最早的幾代恒星（平均而言，它們的質量更高、更藍、更明亮、更熱和壽命更短）中最為重要。如果你沒有足夠的引力來保持第一代恒星形成的殘余物質，你將錯失形成未來幾代恒星的機會:富含重元素并能夠形成巖石行星、復雜分子和生命的恒星。

（圖片說明：片不僅展示了恒星和氣體，還展示了過熱的星系風和由其與更大、質量更大的鄰居M81相互作用引起的膨脹形狀。（M81位于屏幕外右上角。）當整個星系積極形成恒星時，它會變成所謂的星暴星系，特征是劇烈的氣體噴發風。如果星系質量過低，這些富集的物質都會被噴出，阻止了可能形成巖石行星的后代恒星的形成。）

大多數時候，當人們談論暗物質的作用時，他們會討論它產生的銀河旋轉曲線與沒有它時不同的事實，因為星系周圍的引力分布會有所不同。他們會討論引力透鏡信號會有所不同，因為星河、類星體和星系團周圍的物質分布不會有這種擴散、蓬松的成分。他們會談到星系團的碰撞會由兩個主要成分之間的加熱X射線氣體在引力作用下主導，而不是像暗物質那樣簡單地通過碰撞。

所有這些都是真的，但它們絕不是宇宙與眾不同的最大方式。

為了看看哪種方式更深刻，讓我們回到我們宇宙故事的開始，讓我們想象我們擁有相同數量的成分——相同數量的正常物質、相同數量的中微子、相同數量的光子輻射，甚至相同數量的暗能量——但這次，我們根本沒有暗物質。第一個主要區別將在大爆炸核合成完成后開始出現，鍛造出光元素，但在中性原子形成之前。

在宇宙中，CMB中將出現各種角度尺度的模擬溫度波動，測量輻射量，然后是70%暗能量、25%暗物質和5%正物質（左），70%暗能量，25%空間曲率和5%正質（中），或70%暗能量和30%正物質（右）。峰值數量的差異以及峰值高度和位置的差異很容易看到。注意兩張圖在y軸上的尺度差異。

如果沒有暗物質，在宇宙微波背景中出現的聲波峰值模式——代表特定尺度上溫度波動幅度的峰值——將非常不同。峰值會減少；第一個聲波峰值會比其他所有峰值都更大，更重要；宇宙“能量”（一種聚類度量）會集中在相對較大的宇宙尺度上：對應于今天約5億光年的尺度。由于輻射與正常物質（而不是暗物質）有效相互作用，這種輻射壓力會“洗掉”宇宙中較小尺度的結構。

這將相當于一個與我們宇宙中的星系相比，小尺度結構形成（個體星系及以下尺度）受到抑制的宇宙。整體上個體星系會更少，從一開始就更少。它們不會由暗物質和普通物質混合構成，而是純粹由普通物質組成:它們最初是氣體云。這些氣體云會形成、坍縮并創造宇宙中的第一批恒星，就像在我們富含暗物質的宇宙中一樣，但幾乎立刻，一些重大差異就會顯現出來。

（圖片說明：超高溫的年輕恒星有時會形成噴流，比如獵戶座星云中的赫比格-哈羅天體，距離我們所在的銀河系僅1500光年遠。年輕的大質量恒星的輻射和風能給周圍的物質帶來巨大的高速沖擊。）

對于那些在沒有暗物質的宇宙中形成的星系來說，它們將立即面臨挑戰。恒星不僅會發出可見光，還會發出大量的紫外線和電離輻射。它們會發出粒子噴射，并以恒星風的形式吹走大量快速移動的物質。對于那些質量比今天的恒星大得多的初始恒星來說，這些影響更加嚴重。一旦第一次恒星形成爆發，這些新形成的恒星的效應將有效地將所有剩余的中性物質煮沸/蒸發掉，將其從星系中噴射回星際介質中。

如果沒有暗物質，恒星風和紫外線輻射的聯合效應會對周圍的物質施加如此強烈的“打擊”，以至于它們不僅會被吹回星際介質量，還會在引力上完全脫離它們形成的星系。當這些恒星進一步進化和死亡時，這對大多數早期恒星來說可能意味著超新星，這些恒星的噴射物移動得如此迅速，以至于——同樣，在沒有暗物質的情況下——它們在引力下完全脫離最初崩塌形成這些恒星所剩的物質。

（圖片說明：從2008年到2017年，這十年的時間推移顯示了蟹狀星云隨著時間的推移而膨脹的氣態和絲狀結構中令人難以置信的詳細特征。蟹狀星是由一個核心坍縮超新星產生的，它以大約1500公里/秒的速度迅速噴射物質。如果這樣的事件發生在低質量、低重力環境中，所有噴射物都會逃逸，阻止這些物質參與未來的恒星形成。）

這對大多數將形成的星系來說確實是一個巨大的差異。與我們的宇宙（有暗物質）不同，在一代恒星中融合的物質會返回星際介質并參與后續世代的恒星形成，這“第一代”恒星在大多數情況下是星系進化的終點。沒有暗物質，這些恒星尸體的噴出物會被吹到星際空間，未來幾代恒星將不會存在。我們認為的星系將只是墳場，充滿黑洞和第一代恒星形成的尸體。

當我們觀察單個的恒星系統時，這意味著復雜性——包括巖石行星、有機分子和生命潛力——與富含暗物質的宇宙相比是極其不利的。如果沒有從一代恒星中回收元素的能力，你的原行星盤中將不會出現重元素（形成巖石行球所需的元素）。如果沒有大量碳、氮、氧，甚至更重的元素如硅、磷、銅和鐵，生命不僅將是不可能的，而且你唯一能形成的行星將是由氫和氦組成的氣態世界。如果沒有重元素冷卻新形成的原恒星，最終形成的恒星數量將減少，但質量更高且壽命更短。“類似太陽的”恒星將非常稀少，而類似太陽的恒星和類似地球的行星幾乎是不可能的。

這張圖來自對部分宇宙網的模擬，圖中顯示了沖擊波（白色）、磁場（青色）和射電光（粉色）。無論是大尺度還是小尺度，宇宙結構的形成都高度依賴于暗物質和普通物質的相互作用，以及起源于量子物理學的初始密度波動。由此產生的結構，包括星系團和更大尺度的絲狀結構，都是暗物質無可爭議的結果。

即使是最大、質量最大的星系，在經歷了第一次主要的恒星形成事件后，也會立即失去形成新恒星的氣體的一大部分。只有罕見的、非常大且質量巨大的星系才有希望產生許多代恒星和生命的潛力。宇宙將變得更黑暗，星系總數減少。最后，當我們看向宇宙中最大的尺度時，如果沒有暗物質形成宇宙網——我們實際宇宙中形成的看不見的“骨架”或“脊柱”——就不會有網狀的絲束。我們最終只會看到孤立的中等大小星系島嶼，小尺度和大尺度的結構都受到嚴重抑制。

暗物質最重要的作用是引力作用，而且是”無情“的引力作用。暗物質不像正常物質那樣受到輻射（以光子的形式）的影響，因為暗物質和輻射之間沒有相互作用的截面。它不像正常的物質那樣聚集和粘合在一起，所以它龐大、擴散、蓬松的特性形成了對結構形成非常重要的巨大光暈。它在所有尺度上無處不在的存在賦予了宇宙網形狀，并幫助小尺度星系——最常見的星系類型——形成和保持在一起，即使在幾代恒星之間也是如此。

即使在最有利的無暗物質環境中，像地球這樣擁有生物的行星是否能夠形成是有爭議的。恒星的數量會減少，星系也會減少，只有少數“幸運大小”的星系甚至能夠形成多代恒星。

如果沒有暗物質，我們的宇宙將有更少的結構，而現有的結構將更加復雜。幸好我們不是沒有它，因為沒有它，生命甚至可能無法存在。