宇宙暗物質是否真的存在？(圖)
宇宙暗物質是否真的存在？（圖片來源：Adobe Stock）
1915年，愛因斯坦根據他的相對論得出推論：宇宙的形狀取決於宇宙質量的多少。他認為:宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質的平均密度必須達到每立方釐米5×10的負30次方克。但是，迄今可觀測到的宇宙的密度，卻比這個值小100倍。也就是說，宇宙中的大多數物質「失蹤」了，科學家將這種「失蹤」的物質叫「暗物質」，那麼宇宙暗物質是否真的存在？
對於宇宙暗物質是否存在，在幾十年前，宇宙暗物質(dark matter)剛被提出來時僅僅是理論的產物，但是現在我們知道宇宙暗物質已經成為了宇宙的重要組成部分。宇宙暗物質的總質量是普通物質的6倍，在宇宙能量密度中佔了1/4，同時更重要的是，宇宙暗物質主導了宇宙結構的形成。宇宙暗物質的本質現在還是個謎，但是如果假設它是一種弱相互作用亞原子粒子的話，那麼由此形成的宇宙大尺度結構與觀測相一致。不過，最近對星系以及亞星系結構的分析顯示，這一假設和觀測結果之間存在著差異，這同時為多種可能的宇宙暗物質理論提供了用武之地。通過對小尺度結構密度、分佈、演化以及其環境的研究可以區分這些潛在的宇宙暗物質模型，為宇宙暗物質本性的研究帶來新的曙光。
大約65年前，第一次發現了宇宙暗物質存在的證據。當時，弗裡茲•扎維奇(Fritz Zwicky)發現，大型星系團中的星系具有極高的運動速度，除非星系團的質量是根據其中恆星數量計算所得到的值的100倍以上，否則星系團根本無法束縛住這些星系，之後幾十年的觀測分析證實了這一點。儘管對宇宙暗物質的性質仍然一無所知，但是到了80年代，佔宇宙能量密度大約20%的宇宙暗物質以被廣為接受了。
在引入宇宙暴漲理論之後，許多宇宙學家相信我們的宇宙是平直的，而且宇宙總能量密度必定是等於臨界值的(這一臨界值用於區分宇宙是封閉的還是開放的)。與此同時，宇宙學家們也傾向於一個簡單的宇宙，其中能量密度都以物質的形式出現，包括4%的普通物質和96%的宇宙暗物質。但事實上，觀測從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質密度的估計上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒有大到使物質的總量達到臨界值，而且這一觀測和理論模型之間的不一致也隨著時間變得越來越尖銳。
當意識到沒有足夠的物質能來解釋宇宙的結構及其特性時，暗能量出現了。暗能量和宇宙暗物質的唯一共同點是它們既不發光也不吸收光。從微觀上講，它們的組成是完全不同的。更重要的是，像普通的物質一樣，宇宙暗物質是引力自吸引的，而且與普通物質成團並形成星系。而暗能量是引力自相斥的，並且在宇宙中幾乎均勻的分佈。所以，在統計星系的能量時會遺漏暗能量。因此，暗能量可以解釋觀測到的物質密度和由暴漲理論預言的臨界密度之間70-80%的差異。之後，兩個獨立的天文學家小組通過對超新星的觀測發現，宇宙正在加速膨脹。由此，暗能量佔主導的宇宙模型成為了一個和諧的宇宙模型。最近威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測器(Wilkinson Microwave Probe，WMAP)的觀測也獨立的證實了暗能量的存在，並且使它成為了標準模型的一部分。
暗能量同時也改變了我們對宇宙暗物質在宇宙中所起作用的認識。按照愛因斯坦的廣義相對論，在一個僅含有物質的宇宙中，物質密度決定了宇宙的幾何，以及宇宙的過去和未來。加上暗能量的話，情況就完全不同了。首先，總能量密度(物質能量密度與暗能量密度之和)決定著宇宙的幾何特性。其次，宇宙已經從物質佔主導的時期過渡到了暗能量佔主導的時期。大約在「大爆炸」之後的幾十億年中宇宙暗物質佔了總能量密度的主導地位，但是這已成為了過去。現在我們宇宙的未來將由暗能量的特性所決定，它目前正使宇宙加速膨脹，而且除非暗能量會隨時間衰減或者改變狀態，否則這種加速膨脹態勢將持續下去。
不過，我們忽略了極為重要的一點，那就是正是宇宙暗物質促成了宇宙結構的形成，如果沒有宇宙暗物質就不會形成星系、恆星和行星，也就更談不上今天的人類了。宇宙儘管在極大的尺度上表現出均勻和各向同性，但是在小一些的尺度上則存在著恆星、星系、星系團、巨洞以及星系長城。而在大尺度上能過促使物質運動的力就只有引力了。但是均勻分佈的物質不會產生引力，因此今天所有的宇宙結構必然源自於宇宙極早期物質分佈的微小漲落，而這些漲落會在宇宙微波背景輻射(CMB)中留下痕跡。然而普通物質不可能通過其自身的漲落形成實質上的結構而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因為那時普通物質還沒有從輻射中脫耦出來。
另一方面，不與輻射耦合的宇宙暗物質，其微小的漲落在普通物質脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質脫耦之後，已經成團的宇宙暗物質就開始吸引普通物質，進而形成了我們現在觀測到的結構。因此這需要一個初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這裡需要的物質就是冷宇宙暗物質，由於它是無熱運動的非相對論性粒子因此得名。
在開始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中最後一件重要的事情。對於先前提到的小擾動(漲落)，為了預言其在不同波長上的引力效應，小擾動譜必須具有特殊的形態。為此，最初的密度漲落應該是標度無關的。也就是說，如果我們把能量分佈分解成一系列不同波長的正弦波之和，那麼所有正弦波的振幅都應該是相同的。暴漲理論的成功之處就在於它提供了很好的動力學出發機制來形成這樣一個標度無關的小擾動譜(其譜指數n=1)。WMAP的觀測結果證實了這一預言，其觀測到的結果為n=0.99±0.04。
但是如果我們不瞭解宇宙暗物質的性質，就不能說我們已經瞭解了宇宙。現在已經知道了兩種宇宙暗物質--中微子和黑洞。但是它們對宇宙暗物質總量的貢獻是非常微小的，宇宙暗物質中的絕大部分現在還不清楚。這裡我們將討論宇宙暗物質可能的候選者，由其導致的結構形成，以及我們如何綜合粒子探測器和天文觀測來揭示宇宙暗物質的性質。