暗物质是什么样的

先说结论:目前主流科学界认为暗物质是一种弱相互作用的大质量粒子，但最新研究结果表明暗物质可能是一种原生黑洞；暗物质第一次被正式提及是在美国天文学家兹维基首次研究它的时候，然后作为星系团的“光度质量”和“动态质量”出现。

现在的物理学、天文学、宇宙学都有一个共同的谜题，也被称为现代科学中最大的谜题。这是宇宙中的双重黑暗难题。也就是暗物质和暗能量是什么的谜团。

首先，我们来解释一下暗物质是什么。

如果你是第一次听到这个话题，你现在肯定有点晕。我之前的一句话或者说现代科学最大的谜题是:暗物质是什么？最后一句是告诉你什么是暗物质。听起来很奇怪。呵呵，有点绕，但不奇怪。什么是暗物质就是告诉你暗物质这个名字的由来，让你知道科学家正在研究的这种神秘物质的来龙去脉。

据说在1933年，美国加州理工学院有一位年轻的天文学家，名叫兹维基(Zwicky，1898–1974)，他非常着迷于研究推迟星座中的星系团。这是一个巨大的星系团，位于狮子座附近，由几乎1000多个大星系和数万个小星系组成。维基试图计算出这个星系团中星系的平均质量。他有两种方法来计算它。

一个叫“动态质量”，用了一个叫维里定理的公式。首先，我们需要测量星系团中星系的相对速度，然后设定几个公式。最后，我们可以估算出星系团中星系的平均质量。还有一种方法叫“光度质量”，很好理解。就是先测量星系的亮度，然后你就可以估算出需要多少物质才能发出这样的亮度。

按理说，这两种方法测得的星系平均质量应该在同一个数量级左右，但Zwicky计算的结果是“动态质量”实际上比“光度质量”大160多倍。虽然我们今天知道，茨威基低估了与星群的距离，但他认为星群与星群之间的距离是很大的 这句话的意思是:一个星座的意思是:一个星座的意思是:一个星座的意思是:一个星座的意思是:一个星座的意思是:一个星座的意思是:一个星座的意思是

当Vikki看到他的计算结果时，他愣住了:难道牛顿定理在胎衣星座的星座上就失效了？

但他很快想到可能有更合理的解释:会不会是延宕星座的星系团中存在大量不发光的物质？

这个解释听起来合理多了。此外，延宕星座中的星系团距离地球3.5亿光年。有些物质不发光，或者它们的光很弱，在地球上观察不到。这也很好理解。因此，Zwicky在论文中猜测，after星座的星系团中存在大量暗物质，即不发光或相对较暗的物质，而这种物质占星系团总物质的99%。

这是暗物质这个词第一次出现在学术论文中。但是，茨威基并不认为这个推测有多么伟大，或者说根本没有意识到。他无意中触及了一个令人震惊的宇宙之谜。仅仅过了一年，茨威基的注意力就完全被宇宙中另一颗迷人的天体“超新星”吸引了。这一搁置被忽视了50多年。茨威基也于1974年去世。他没有等到他的暗物质惊动全世界的那一天。

然后在60年代，美国有一个女天文学家叫鲁宾(1928-)。当她在研究银河系的旋转时，和茨威基一样，产生了极大的困惑。这是什么？

银河系外侧的恒星绕银河系中心旋转的速度比理论计算的要大得多。

这一发现让鲁宾迷惑不解，也激发了她进一步研究的兴趣，研究持续了十几年。她做了大量详细的观测数据，并进行了周密的计算。她发现，如果要维持银河系目前的旋转速度，不使银河系分崩离析，银河系的总质量必须远高于迄今为止观测到的所有可见天体的质量。

比如我们用沙子捏一个陀螺，让它旋转，沙子陀螺一旋转肯定会散架，因为沙子和沙子之间的结合力不足以维持向心力。为了不让沙陀螺散架，你得拿胶水把它放在沙子里。如果我们把银河系想象成一个沙陀螺，那么引力就是胶水，这种胶水的强度决定了陀螺在最高速度下能旋转多少。

现在我们已经观测到了银河系的旋转速度，我们可以计算出总引力，然后计算出银河系的总质量。鲁宾肯定地发现，银河系的大部分质量都“丢失”了。因此，在1980年，她和她的同事发表了一篇论文，详细描述了他们的发现。这是天文学史上第一篇关于暗物质的重量级论文，影响巨大。

但是，鲁宾的发现只能算是暗物质存在的间接证据。第一个真正的直接证据出现在2006年。那一年，以道格拉斯·克罗(Douglas Crowe)为首的美国天文学家团队利用钱德拉X射线望远镜观测编号为1E 0657-56的星系团，无意间观测到了星系碰撞的过程。

星团的碰撞是如此的强大，以至于暗物质从正常物质中分离出来，于是找到了暗物质存在的直接证据。

此时，暗物质已经成为科学界非常热门的研究课题。一开始人们还挺乐观的，觉得暗物质很快就能被澄清。只是一些不发光的天体。宇宙中有一些不发光的天体。比如像地球这样的行星不发光，还有褐矮星。这些恒星与普通恒星相比，质量相对较小，亮度相对较暗。由于它们距离遥远，我们无法在地球上观察到它们。

当然还有黑洞，更不发光，不然就不叫黑洞了。这些不发光或发出暗淡光晕的天体在天文学上有一个统称，即大质量致密光晕天体。英文缩写是MACHO。为了叙述方便，我简称为暗天体。

在最初的几十年里，天文学家专注于这种黑暗物体。要知道，根据计算，暗天体的数量是普通天体的5倍多，也就是说我们的星系中应该充满了这种暗天体。然而，由于这些天体太暗，无法通过光学或射电望远镜看到，因此探测它们的主要方法是利用引力微透镜效应。因为有质量的天体产生的引力会使经过的光线发生偏转，就像透镜可以使光线发生偏转一样，所以被称为引力微透镜效应。这种效应的一个直接后果是，当一个黑暗的物体从背景恒星前面经过时，会暂时增强恒星的星光，因此恒星看起来会更亮。

于是，根据这一原理，天文学家开始对大小麦哲伦星云中的数百万颗恒星进行了长达数年的仔细观察。为什么会有大麦哲伦星云和小麦哲伦星云？因为这两个星云是距离银河系最近的两个河外星系，也被称为银河系的卫星星系，可以用肉眼看到。这两个星云绝对是银河系外的星系。所以，当它们里面的恒星发出的星光到达地球的时候，一定几乎穿过了银河系。那么银河系中的暗天体就会因为引力微透镜效应而在大小麦哲伦星云中出现可观测到的恒星亮度变化。

然而，几年的观测表明，银河系中并没有那么多的暗天体。这些观测足以排除质量超过太阳10倍的暗物质是暗物质主要成分的可能性。换句话说，天文学家对暗物质的首次搜寻以失败告终。

这个问题不仅引起了天文学家的兴趣，也引起了粒子物理学家的兴趣。他们凭借自己专业的嗅觉，提出了暗物质的另一个猜想，也命名为弱相互作用大质量粒子，简称WIMP。

简而言之，他们怀疑暗物质是宇宙中填充的一种微观粒子。这种粒子质量很大，但不管是在可见光波段还是不可见光波段，都不与电磁波相互作用，所以我们看不到。为了叙述方便，我以后称它们为暗粒子。到目前为止，尽管科学家们使用粒子加速器、地下探测器和空望远镜进行了数十年的搜索，但仍然没有发现它们存在的任何证据。随着寻找暗粒子的零结果越来越多，粒子物理学家难免越来越焦虑。在这样的背景下，自然会有各种猜想。

《全球科学》8月刊发表了两位物理学家的文章，主要介绍了另一个关于暗物质的猜想。我们先来认识一下这篇文章的两位作者。他们是一男一女。这名男子名叫胡安·加西亚·贝利多，是马德里大学理论物理研究所的教授。他还是欧洲局空的欧几里德项目和LISA项目的成员。欧几里德计划是欧洲空局的暗物质探测项目。他们计划在2020年向天空发射一颗暗物质探测卫星，就像我们国家的启迪空项目一样。LISA的项目更牛逼。他是一个空引力波天文台项目，是美国宇航局和欧洲空局的合作项目。它耗资巨大且雄心勃勃。官方公布的预计运营时间是2034年，还早。而且大型天文项目一般都是延期的，很少有准时的。

另一位女性作者塞巴斯蒂安·克里斯(Sebastian Cleese)是比利时宇宙学家。Cleese还是欧几里德项目和SKA平方公里阵列合作组织的成员。应该向所有听众宣传这个SKA。它是由中国、澳大利亚等国牵头，20个国家参与的大型射电望远镜阵列项目。这一计划雄心勃勃，计划在澳大利亚和南非建造数千个串在一起的射电望远镜，使总接收面积达到一平方公里，灵敏度比现有最大阵列高50倍。总预算已经超过142亿人民币。在中国强大力量的推动下，这个项目已经开工建设，预计2024年完工。

虽然作者提出的猜想不是原创性的，但作者在本文中的一些研究成果促成了这一猜想的形成。关于暗物质最早的猜测是暗天体，但后来逐渐被冷落。科学家们都对黑暗粒子情有独钟，但几十年来，无数的金钱被扔了下来。除了越来越多以“排除”为属性的结果，我们没有发现暗粒子。最多，我们只是知道暗物质不是这个或那个。在这种背景下，在过去的两年里，一些研究人员开始重新考虑暗物体假说。他们发现了一个新的候选者，也就是原来的黑洞。听名字就大概能猜到是BIGBANG形成的第一批黑洞。

物理学家伯纳德·卡尔(Bernard Carr)和斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在20世纪70年代提出了原生黑洞的想法，但他们的原生黑洞是一种比一座山的质量还要小、尺度为微米甚至纳米的黑洞，因此也被称为微黑洞。

在我们大约138亿岁的宇宙中，这些非常小的黑洞可能已经通过霍金自己发现的霍金辐射蒸发了。所以卡尔和霍金的原始黑洞对目前宇宙中暗物质的贡献应该可以忽略不计。但根据宇宙暴胀理论，应该存在另一种大质量原生黑洞。1996年，史丹福大学的加西亚-贝利多、安德烈·林德和英国朴茨茅斯大学的大卫·旺兹发现，暴胀可以某种方式在早期宇宙的密度波动光谱中形成一个峰值。

也就是说，被暴胀极大放大的量子涨落自然可以产生特别密集的区域，这些区域可能在暴胀后不到一秒钟就坍缩形成一群黑洞。这些黑洞很可能是暗物质，主导着现在宇宙的物质构成。这个模型并不是一个一个地产生黑洞，而是一组质量相同的黑洞，黑洞的质量由坍缩区域所包含的能量决定。

2015年，这篇文章的两位作者Chris和Garcia Belidor共同提出了一张新的图片。这张图和1996年的类似，但是原始涨落的能量密度和空之间的尺度会呈现出一个很宽的分布峰值，导致原始黑洞的质量范围很宽。这张图片的一个关键结论是，有许多空密集的高密度塌缩区域，这将导致一群大小不同的黑洞——从太阳质量的100倍到太阳质量的10000倍。在宇宙大爆炸后的50万年内，每一个不断成长和演化的黑洞群，都可能在一个跨度只有几百光年的区域内包含数百万个原始黑洞。

本来这些都是纯理论的推测，连作者自己都不指望很快出现具体的观测证据。谁知，出乎他们意料的是，仅仅过了一年，一个意外的间接证据不期而至。那么，这个合理又意外的证据是什么呢？听我下一个分解。

最后，我想再次强调

暗物质是否存在，在当今主流科学界没有争议。当然，任何一个前沿科学领域都不可能有完全一致的声音，一些代表少数群体的科学家提出一些不同的观点也是正常的。但作为科普，首要传播的不是非主流观点，而是主流观点。