自1922年天文學(xué)家雅各布斯·卡普坦首次提出星系中可能存在不可見物質(zhì)以來，人類已經(jīng)花費了近一百年的時間探索暗物質(zhì)，但仍然未能掌握這種物質(zhì)。神秘物質(zhì)的小尾巴。暗物質(zhì)研究領(lǐng)域總流傳著這樣一個冷笑話：—— 暗物質(zhì)確實是一個東西！ （暗物質(zhì)就是物質(zhì)。）然而，玩笑背后，這樣一種看不見摸不著、只能靠重力才能感受到的物質(zhì)，著實讓科學(xué)家們摸不著頭腦。它難以捉摸，永遠不會出現(xiàn)。由于它不輻射電磁波，也不吸收或反射電磁波，而且它與重子物質(zhì)之間只有引力相互作用，所以直到近代，暗物質(zhì)的存在才逐漸被發(fā)現(xiàn)和證實。最初，弗里茨·茲威基和揚·亨德里克（奧爾特，Jan Hendrik）敏銳地發(fā)現(xiàn)星系中應(yīng)該存在更多看不見的物質(zhì)（茨威格從后發(fā)星系團出發(fā)，而奧爾特則從銀河系出發(fā)），這些物質(zhì)的存在并沒有直到維拉·庫珀·魯賓開始觀察星系的旋轉(zhuǎn)曲線，這一點才變得明顯。圖1. 如果僅存在重子物質(zhì)，星系自轉(zhuǎn)曲線應(yīng)該像紅線一樣在星系外圍迅速衰減。然而實際觀測發(fā)現(xiàn)事實并非如此，這意味著星系外圍存在大量“看不見”的物質(zhì)。最早發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的科學(xué)家之一是杰出的女科學(xué)家維拉·魯賓(Vera Rubin)。/來源網(wǎng)絡(luò)星系被巨大的暗物質(zhì)團包裹著，我們稱之為暗物質(zhì)暈。如果只有重子物質(zhì)可以發(fā)光，那么星系外圍的自轉(zhuǎn)曲線應(yīng)該符合牛頓力學(xué)和開普勒定律，并在星系外迅速為零。然而事實上，由于暗物質(zhì)暈的存在，它們呈現(xiàn)出扁平的圖案。這與僅存在重子物質(zhì)的星系的自轉(zhuǎn)曲線完全不同。此外，由于引力效應(yīng)，來自恒星或星云的光線在穿過暗物質(zhì)暈時會發(fā)生畸變，從而形成引力透鏡現(xiàn)象。由于暗物質(zhì)本身不發(fā)光，因此暗物質(zhì)非常適合作為引力透鏡。借助這個工具，我們甚至可以探測到子彈星系團的現(xiàn)象，即當(dāng)星系碰撞時，暗物質(zhì)暈與介入星系分離。然而，上述探測方法都是間接測量，而暗物質(zhì)的屬性又是如此難以捉摸，以至于直到今天，科學(xué)家們?nèi)匀粺o法直接探測到暗物質(zhì)的存在（在粒子物理層面）。暗物質(zhì)的候選者浮出水面。最初，天文學(xué)家認(rèn)為所謂的暗物質(zhì)是宇宙中——個不發(fā)光天體的總和，如黑洞、褐矮星、行星等，它們被稱為暈族大質(zhì)量、高品質(zhì)的天體。密度天體（Massive Astrophysical Compact Halo Objects，簡稱：MACHOs）。盡管這些物體不發(fā)光或發(fā)出極弱的光，但我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^微透鏡效應(yīng)（由于質(zhì)量較小的透鏡物體從背景物體前面經(jīng)過而導(dǎo)致亮度短暫暫時增加）來觀察它們。圖2. 碰撞星系的X 射線帶觀測圖像（紅色）和通過引力透鏡計算的暗物質(zhì)團塊位置分布（藍色）。由于暗物質(zhì)不與重子物質(zhì)碰撞，因此它首先會出現(xiàn)在子彈星系團中。超出了星系，導(dǎo)致星系中心與暗物質(zhì)暈錯位。版權(quán)所有/NASA 波蘭天文學(xué)家Bohdan Paczynski 在20 世紀(jì)80 年代啟動了麥哲倫星云MACHO 巡天計劃，對大麥哲倫星云和小麥哲倫星云進行了多次長期觀測，以尋找微重力。鏡頭事件。

然而，調(diào)查項目的結(jié)果表明，至少在大麥哲倫星云中，MACHO的數(shù)量遠遠不足以滿足暗物質(zhì)存在所需的質(zhì)量。因此，這個假說很快就被否定了，科學(xué)家們不得不向基本粒子尋找答案。熱暗物質(zhì)中微子和一些無法形成小型結(jié)構(gòu)的輕子是第一個進入科學(xué)家視野的基本粒子。它們的質(zhì)量很小，呈電中性，并且可以在宇宙中大量存在。然而，中微子的質(zhì)量極小，甚至可以在宇宙中以接近光速的速度運動，這意味著它們在早期宇宙中冷卻得較晚，甚至晚于重子物質(zhì)。這些粒子被認(rèn)為是熱暗物質(zhì)（HDM）的候選粒子。暗物質(zhì)模型提出的時候，恰逢計算機技術(shù)的興起，多體模擬可以在計算機中實現(xiàn)。因此，科學(xué)家可以利用這些粒子的性質(zhì)作為變量，利用計算機對宇宙的演化進行數(shù)值模擬。熱暗物質(zhì)粒子是最先被投入此類模擬的。然而在數(shù)值模擬下，熱暗物質(zhì)模型也首先被踢出了暗物質(zhì)候選陣營。這是因為在熱暗物質(zhì)模型中，暗物質(zhì)粒子是極高能的光粒子。它們速度非?？欤仨氃谟钪嫜莼暮笃诶鋮s并減慢速度，才能將自己附著在星系周圍的暗物質(zhì)暈上。然而，根據(jù)宇宙微波背景的觀測結(jié)果，宇宙從高度均勻的狀態(tài)開始膨脹。在此前提下，熱暗物質(zhì)粒子無法在數(shù)值模擬中形成如此“小尺度”的星系（在宇宙中，星系的尺度不過，在宇宙中我們已經(jīng)能夠觀測到低于熱暗物質(zhì)閾值的小尺度結(jié)構(gòu)）暗物質(zhì)，所以這個模型很難解釋現(xiàn)有的小尺度結(jié)構(gòu)，自然就從候選者中排除了?？磥硗昝赖睦浒滴镔|(zhì)有熱暗物質(zhì)作為參考，而冷暗物質(zhì)則以熱暗物質(zhì)為參考。物質(zhì)（CDM）模型出現(xiàn)了，這類模型是那些質(zhì)量較大、速度較小的粒子的總稱，它們被稱為弱相互作用大質(zhì)量粒子（簡稱WIMP）。弱相互作用大質(zhì)量粒子是基本粒子，其質(zhì)量和相互作用強度處于電弱相互作用量級，不參與電磁和強相互作用，由于WIMPs本身的物理性質(zhì)極其不活躍，因此很難直接發(fā)現(xiàn)它們。然而，基于這個猜想，許多物理實驗都成立了。與此同時，基于冷暗物質(zhì)模型的宇宙學(xué)模擬也在緊鑼密鼓地進行。天體物理學(xué)家詹姆斯·皮布爾斯（因其在宇宙學(xué)領(lǐng)域的諸多貢獻，榮獲2019年諾貝爾物理學(xué)獎）他是第一個利用多體模擬技術(shù)實現(xiàn)冷暗物質(zhì)宇宙模型數(shù)值模擬的人?？茖W(xué)家們驚訝地發(fā)現(xiàn)，這個暗物質(zhì)模型幾乎完美地再現(xiàn)了整個可觀測宇宙的現(xiàn)狀。盡管粒子物理學(xué)家尚未能夠捕獲單個暗物質(zhì)粒子，但計算宇宙學(xué)的研究人員已經(jīng)在硬盤上模擬了整個宇宙與暗物質(zhì)和重子物質(zhì)的共同演化。冷暗物質(zhì)模型非常適合宇宙的縮小，以至于至今仍然是暗物質(zhì)候選模型中的最愛。無碰撞冷暗物質(zhì)模型在大多數(shù)情況下都可以很好地符合當(dāng)今的觀測結(jié)果。事實上，在可用于數(shù)值模擬的粒子數(shù)量和計算機的數(shù)據(jù)處理速度大幅提高之后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)：它還并不完美。首先是尖峰和核心問題。

冷暗物質(zhì)模型的密度分布符合NFW密度剖面（Navarro，F(xiàn)renk White密度剖面，這種密度分布形式以構(gòu)建它的三位科學(xué)家的名字命名），這意味著在冷暗物質(zhì)模型的中心，物質(zhì)密度會發(fā)散，這意味著暗物質(zhì)暈的中心有一個極其致密、甚至無限大的區(qū)域。事實上，這樣的無限區(qū)域并不存在。雖然超大質(zhì)量黑洞經(jīng)常存在于星系中心，但冷暗物質(zhì)模型中高密度中心的尺度遠大于超大質(zhì)量黑洞，因此兩者不能一概而論。圖3 數(shù)值模擬中，熱（左）、暖（中）、冷（右）暗物質(zhì)模型，宇宙早期（上）和當(dāng)前（下）階段宇宙中的物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)，如暗物質(zhì)的“溫度”逐漸越低，能夠形成的小尺度結(jié)構(gòu)就越致密。版權(quán)所有/蘇黎世大學(xué)除了尖塔和核心問題之外，冷暗物質(zhì)模擬中出現(xiàn)的另一個問題很快就變得顯而易見。冷暗物質(zhì)模擬的結(jié)果表明，小尺度結(jié)構(gòu)——比熱暗物質(zhì)多得多。人們常說，旱則旱，澇則死。模擬下的冷暗物質(zhì)宇宙中出現(xiàn)的許多精細結(jié)構(gòu)根本沒有被現(xiàn)有的觀測方法觀測到。 —— 但這是合理的。因為在寒冷的暗物質(zhì)宇宙中，暗物質(zhì)粒子比重子物質(zhì)更早冷卻，形成暗物質(zhì)暈，然后重子物質(zhì)逐漸落入其中形成星系團和星系。因此，對于那些非常小的暗物質(zhì)暈，落入其中的重子物質(zhì)會非常少，甚至一些較小的暗物質(zhì)暈也不會含有任何重子物質(zhì)。以人類目前的探測能力，這些暗物質(zhì)子結(jié)構(gòu)本身都很難探測到，更不用說統(tǒng)計它們的數(shù)量了。圖4 冷暗物質(zhì)（左）和自相互作用暗物質(zhì)模型（右）中暗物質(zhì)分布示意圖。圖中顏色越紅，密度越大。版權(quán)所有/林航平但敏感d 科學(xué)家們很快意識到，如果對模型稍作改變，尖塔和核心問題以及過多的下部結(jié)構(gòu)問題都將得到解決。暖暗物質(zhì)（WDM）模型應(yīng)運而生。探索暗物質(zhì)暈的極限暗物質(zhì)的特性使我們很難直接接觸和研究這種材料，但幸運的是，它的許多特性仍然可以間接測量。科學(xué)家真的有辦法直接找到暗物質(zhì)暈嗎？可能的。暗物質(zhì)暈的不發(fā)光特性使其成為極好的引力透鏡天體。利用引力透鏡效應(yīng)，我們可以“輕松”找到這些暗物質(zhì)暈。只是宇宙實在是太廣闊了。即使恒星布滿天空，暗物質(zhì)暈大量存在，暗物質(zhì)暈恰好出現(xiàn)在恒星前方的概率仍然很低。圖5. 哈勃望遠鏡對超暗矮星系獅子座IV 的光學(xué)波段觀測。里面確實什么也看不出來。版權(quán)所有/NASA 暗物質(zhì)數(shù)值模擬之路尚未結(jié)束。宇宙演化所需的計算量遠遠超過人類現(xiàn)有的所有計算機，但我們可以通過逐級放大的方法逐步放大這個巨大的宇宙，最終得到足夠“微觀”的宇宙結(jié)果。對各種暗物質(zhì)模型的深入研究正吸引著大批科研人員。雖然冷暗物質(zhì)模型目前得到了廣大天文學(xué)家的認(rèn)可，但該模型還存在很多問題，暫時無法合理解釋。暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么？也許幾年、幾十年后，我們將最終揭開暗物質(zhì)的神秘面紗；或者，就像可控核聚變一樣，我們距離了解暗物質(zhì)的真相還有50 年的時間。

來源：中國科學(xué)院國家天文臺