自1922年天文学家雅各布斯·卡普坦首次提出星系中可能存在不可见物质以来，人类已经花费了近一百年的时间探索暗物质，但仍然未能掌握这种物质。神秘物质的小尾巴。暗物质研究领域总流传着这样一个冷笑话：—— 暗物质确实是一个东西！ （暗物质就是物质。）然而，玩笑背后，这样一种看不见摸不着、只能靠重力才能感受到的物质，着实让科学家们摸不着头脑。它难以捉摸，永远不会出现。由于它不辐射电磁波，也不吸收或反射电磁波，而且它与重子物质之间只有引力相互作用，所以直到近代，暗物质的存在才逐渐被发现和证实。最初，弗里茨·兹威基和扬·亨德里克（奥尔特，Jan Hendrik）敏锐地发现星系中应该存在更多看不见的物质（茨威格从后发星系团出发，而奥尔特则从银河系出发），这些物质的存在并没有直到维拉·库珀·鲁宾开始观察星系的旋转曲线，这一点才变得明显。图1. 如果仅存在重子物质，星系自转曲线应该像红线一样在星系外围迅速衰减。然而实际观测发现事实并非如此，这意味着星系外围存在大量“看不见”的物质。最早发现这一现象的科学家之一是杰出的女科学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)。/来源网络星系被巨大的暗物质团包裹着，我们称之为暗物质晕。如果只有重子物质可以发光，那么星系外围的自转曲线应该符合牛顿力学和开普勒定律，并在星系外迅速为零。然而事实上，由于暗物质晕的存在，它们呈现出扁平的图案。这与仅存在重子物质的星系的自转曲线完全不同。此外，由于引力效应，来自恒星或星云的光线在穿过暗物质晕时会发生畸变，从而形成引力透镜现象。由于暗物质本身不发光，因此暗物质非常适合作为引力透镜。借助这个工具，我们甚至可以探测到子弹星系团的现象，即当星系碰撞时，暗物质晕与介入星系分离。然而，上述探测方法都是间接测量，而暗物质的属性又是如此难以捉摸，以至于直到今天，科学家们仍然无法直接探测到暗物质的存在（在粒子物理层面）。暗物质的候选者浮出水面。最初，天文学家认为所谓的暗物质是宇宙中——个不发光天体的总和，如黑洞、褐矮星、行星等，它们被称为晕族大质量、高品质的天体。密度天体（Massive Astrophysical Compact Halo Objects，简称：MACHOs）。尽管这些物体不发光或发出极弱的光，但我们仍然可以通过微透镜效应（由于质量较小的透镜物体从背景物体前面经过而导致亮度短暂暂时增加）来观察它们。图2. 碰撞星系的X 射线带观测图像（红色）和通过引力透镜计算的暗物质团块位置分布（蓝色）。由于暗物质不与重子物质碰撞，因此它首先会出现在子弹星系团中。超出了星系，导致星系中心与暗物质晕错位。版权所有/NASA 波兰天文学家Bohdan Paczynski 在20 世纪80 年代启动了麦哲伦星云MACHO 巡天计划，对大麦哲伦星云和小麦哲伦星云进行了多次长期观测，以寻找微重力。镜头事件。

然而，调查项目的结果表明，至少在大麦哲伦星云中，MACHO的数量远远不足以满足暗物质存在所需的质量。因此，这个假说很快就被否定了，科学家们不得不向基本粒子寻找答案。热暗物质中微子和一些无法形成小型结构的轻子是第一个进入科学家视野的基本粒子。它们的质量很小，呈电中性，并且可以在宇宙中大量存在。然而，中微子的质量极小，甚至可以在宇宙中以接近光速的速度运动，这意味着它们在早期宇宙中冷却得较晚，甚至晚于重子物质。这些粒子被认为是热暗物质（HDM）的候选粒子。暗物质模型提出的时候，恰逢计算机技术的兴起，多体模拟可以在计算机中实现。因此，科学家可以利用这些粒子的性质作为变量，利用计算机对宇宙的演化进行数值模拟。热暗物质粒子是最先被投入此类模拟的。然而在数值模拟下，热暗物质模型也首先被踢出了暗物质候选阵营。这是因为在热暗物质模型中，暗物质粒子是极高能的光粒子。它们速度非常快，必须在宇宙演化的后期冷却并减慢速度，才能将自己附着在星系周围的暗物质晕上。然而，根据宇宙微波背景的观测结果，宇宙从高度均匀的状态开始膨胀。在此前提下，热暗物质粒子无法在数值模拟中形成如此“小尺度”的星系（在宇宙中，星系的尺度不过，在宇宙中我们已经能够观测到低于热暗物质阈值的小尺度结构）暗物质，所以这个模型很难解释现有的小尺度结构，自然就从候选者中排除了。看来完美的冷暗物质有热暗物质作为参考，而冷暗物质则以热暗物质为参考。物质（CDM）模型出现了，这类模型是那些质量较大、速度较小的粒子的总称，它们被称为弱相互作用大质量粒子（简称WIMP）。弱相互作用大质量粒子是基本粒子，其质量和相互作用强度处于电弱相互作用量级，不参与电磁和强相互作用，由于WIMPs本身的物理性质极其不活跃，因此很难直接发现它们。然而，基于这个猜想，许多物理实验都成立了。与此同时，基于冷暗物质模型的宇宙学模拟也在紧锣密鼓地进行。天体物理学家詹姆斯·皮布尔斯（因其在宇宙学领域的诸多贡献，荣获2019年诺贝尔物理学奖）他是第一个利用多体模拟技术实现冷暗物质宇宙模型数值模拟的人。科学家们惊讶地发现，这个暗物质模型几乎完美地再现了整个可观测宇宙的现状。尽管粒子物理学家尚未能够捕获单个暗物质粒子，但计算宇宙学的研究人员已经在硬盘上模拟了整个宇宙与暗物质和重子物质的共同演化。冷暗物质模型非常适合宇宙的缩小，以至于至今仍然是暗物质候选模型中的最爱。无碰撞冷暗物质模型在大多数情况下都可以很好地符合当今的观测结果。事实上，在可用于数值模拟的粒子数量和计算机的数据处理速度大幅提高之后，科学家们发现：它还并不完美。首先是尖峰和核心问题。

冷暗物质模型的密度分布符合NFW密度剖面（Navarro，Frenk White密度剖面，这种密度分布形式以构建它的三位科学家的名字命名），这意味着在冷暗物质模型的中心，物质密度会发散，这意味着暗物质晕的中心有一个极其致密、甚至无限大的区域。事实上，这样的无限区域并不存在。虽然超大质量黑洞经常存在于星系中心，但冷暗物质模型中高密度中心的尺度远大于超大质量黑洞，因此两者不能一概而论。图3 数值模拟中，热（左）、暖（中）、冷（右）暗物质模型，宇宙早期（上）和当前（下）阶段宇宙中的物质分布结构，如暗物质的“温度”逐渐越低，能够形成的小尺度结构就越致密。版权所有/苏黎世大学除了尖塔和核心问题之外，冷暗物质模拟中出现的另一个问题很快就变得显而易见。冷暗物质模拟的结果表明，小尺度结构——比热暗物质多得多。人们常说，旱则旱，涝则死。模拟下的冷暗物质宇宙中出现的许多精细结构根本没有被现有的观测方法观测到。 —— 但这是合理的。因为在寒冷的暗物质宇宙中，暗物质粒子比重子物质更早冷却，形成暗物质晕，然后重子物质逐渐落入其中形成星系团和星系。因此，对于那些非常小的暗物质晕，落入其中的重子物质会非常少，甚至一些较小的暗物质晕也不会含有任何重子物质。以人类目前的探测能力，这些暗物质子结构本身都很难探测到，更不用说统计它们的数量了。图4 冷暗物质（左）和自相互作用暗物质模型（右）中暗物质分布示意图。图中颜色越红，密度越大。版权所有/林航平但敏感d 科学家们很快意识到，如果对模型稍作改变，尖塔和核心问题以及过多的下部结构问题都将得到解决。暖暗物质（WDM）模型应运而生。探索暗物质晕的极限暗物质的特性使我们很难直接接触和研究这种材料，但幸运的是，它的许多特性仍然可以间接测量。科学家真的有办法直接找到暗物质晕吗？可能的。暗物质晕的不发光特性使其成为极好的引力透镜天体。利用引力透镜效应，我们可以“轻松”找到这些暗物质晕。只是宇宙实在是太广阔了。即使恒星布满天空，暗物质晕大量存在，暗物质晕恰好出现在恒星前方的概率仍然很低。图5. 哈勃望远镜对超暗矮星系狮子座IV 的光学波段观测。里面确实什么也看不出来。版权所有/NASA 暗物质数值模拟之路尚未结束。宇宙演化所需的计算量远远超过人类现有的所有计算机，但我们可以通过逐级放大的方法逐步放大这个巨大的宇宙，最终得到足够“微观”的宇宙结果。对各种暗物质模型的深入研究正吸引着大批科研人员。虽然冷暗物质模型目前得到了广大天文学家的认可，但该模型还存在很多问题，暂时无法合理解释。暗物质的本质是什么？也许几年、几十年后，我们将最终揭开暗物质的神秘面纱；或者，就像可控核聚变一样，我们距离了解暗物质的真相还有50 年的时间。

来源：中国科学院国家天文台