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看不见摸不着，却掌控宇宙演化的神秘物质到底是什么？

你有没有在远离城市的地方，在夜晚仰望过星空？一旦远离了灯火通明的城市，夜空仿佛成了一个巨大的黑幕，偌大的天穹除了几点疏星若隐若现，再没有任何光亮值得让我们的视线驻留。我们看到的这些带有光亮的物质，其实就是宇宙中的恒星、星云或星系，它们都属于 " 可见物质 "。

但现代科学告诉我们，宇宙中能够通过电磁波信号探测到的可见物质只占物质总量的 5%，剩下的 95% 都是不可见的暗物质和暗能量，它们不发光、不反射光，但是却主导着整个宇宙的演化。

那么，这些看不见、摸不着，却掌控宇宙命运的神秘物质，到底是什么？让我们先来揭开暗物质的面纱。

可见物质：我们看得见的宇宙

在了解暗物质之前，我们先来看看我们熟悉的可见物质。

简单来说，可见物质就是会明显地发光或者反射光的物质。我们在夜空中看到的各种星体、星云和星系，以及我们日常生活中看到的各种物质，都属于可见物质。它们之所以能 " 被看见 "，是因为它们参与了电磁相互作用力，这是物理学四大基本相互作用力中的一种，控制光、电、磁等现象。由于光就是一种电磁波，所以 " 会发光或反射光 " 基本上可以与 " 参与电磁相互作用 " 划等号。只要一种物质明显地参与电磁相互作用，那它原则上就可以算是可见物质。

要搞清楚这点，我们可以从原子说起。原子里有电子在不同轨道之间运动，不同轨道上的电子能量不同，因此这些轨道也叫做能级。但电子会经常从一个能级跳到另一个能级（这叫做能级跃迁），此时由于能级之间的能量差，它们在跳跃的时候会释放出光粒子，也就是光子。当这些光子进入我们的眼睛，或者被望远镜探测到时，我们就 " 看到了 " 这些原子所在的物体。

不仅恒星、星云等宏观天体属于可见物质，就连光本身也属于可见物质。宇宙中绝大多数的光是以微波背景辐射（CMB）的形式存在的。你可以把它想象成宇宙 " 出生 " 不久时留下的 " 余温 " ——就像烤箱关掉后还留在空气中的热量。

CMB 光子如今遍布整个宇宙，平均分布、无处不在。它们诞生于宇宙大爆炸后第 38 万年，是我们能 " 看到 " 的最古老的光。只是随着宇宙不断膨胀，这些光的波长也被拉长，能量越来越低，大部分变成了我们眼睛看不到的微波。

所以，即使我们能看到的宇宙已经很广阔了，它们其实只是 5% 的冰山一角。接下来，让我们走出光亮，探索那隐藏在宇宙阴影中的另一种存在——暗物质。

暗物质：隐身的宇宙物质

与可见物质相对的就是暗物质。从定义上说，暗物质是一种几乎不发光也不反射光的物质，或者说几乎不参与电磁相互作用的物质。我们之所以知道它存在，是因为它在宇宙中的 " 引力 " 表现得非常明显，牵引着星系和星系团的运动。

暗物质中，我们最熟悉的可能要数黑洞了。黑洞是宇宙中最极端的天体之一，它的引力强到连光都无法逃脱。这种特点让它变得 " 漆黑一片 "，也符合 " 不发光、不反射光 " 的暗物质定义。

有趣的是，黑洞并不是完全 " 沉默 " 的。根据物理学家霍金提出的理论，它们可以通过霍金辐射缓慢地释放微弱能量，但这种能量极其微小，远远不足以让我们直接观察。

在天文观测中发现黑洞一般是通过间接手段实现的。比如说观测黑洞对周围星体运行轨道的影响，天鹅座 X-1 中的黑洞就是通过这种方法发现的。也可以通过黑洞碰撞产生的引力波信号来发现黑洞，引力波实验组 LIGO 目前已探测到近百个由黑洞碰撞产生的引力波信号。对于超大质量黑洞，它周围会吸积大量发光的灼热气体，因此可以被射电望远镜观测到，大名鼎鼎的黑洞照片就是这样拍摄的。

事件视界望远镜（EHT）合作组拍摄的 M87 星系中心的超大质量黑洞图片来源：EHT

除此之外，在人类已发现的所有基本粒子当中，中微子也是一种典型的暗物质。这种粒子不参与电磁相互作用，只参与四大基本相互作用中的引力和弱相互作用，因此它与光子之间没有任何直接的关联。也正是因为中微子不参与电磁相互作用，它们与原子发生碰撞的概率非常非常小。具体有多小呢？可能平均每 10 亿个中微子穿过地球，才会有一个碰撞到地球内的某个原子。这就是中微子又被称为 " 幽灵粒子 " 的原因。它就像幽灵一样，来去自如。不过请注意，中微子只是像幽灵，并不是幽灵。

那么，黑洞和中微子就是暗物质的主要组成部分吗？实际上，这两种暗物质加起来，其质量也只相当于全部可见物质的 1% 不到。然而，大量的天文观测结果表明，宇宙中暗物质的总量远不止那么少，甚至暗物质的总量超过了可见物质的 5 倍！因此必然存在更多人类目前尚未发现的暗物质。那么天文学家们是如何知晓宇宙中有这么多暗物质的呢？让我们从一些著名的天文观测证据开始谈起。

暗物质的观测证据

暗物质的研究历史可以追溯到将近一百年前。那时候星系天文学刚刚兴起，天文学家们开始认识到我们所在的银河系并不是宇宙的全部，在银河系之外还有众多其他的星系。正如恒星会在引力的作用下聚集形成星系，星系之间也会由于引力而结团形成更大的星系团结构。一个星系团少则包含几十个星系，多则包含几千个星系，它们围绕一个共同的中心运动，分布区域的半径可达数百万光年。

天文学家兹威基（F. Zwicky）和史密斯（S. Smith）对一些星系团开展观测后发现，根据星系团的发光情况推算出的星系团质量（光度质量）要远小于根据它内部的星系运动速度推算出的质量（动力学质量）。由于光度质量只能反映星系团中发光物质的质量，而动力学质量反映的是星系团的引力，因此这一观测结果说明星系团中的绝大多数物质是不发光的，但我们能通过其显著的引力效应来感知它们的存在。这就是暗物质最早的观测证据。

星系团是由数百到数千个受引力束缚的星系组成的结构。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷

暗物质的第二项观测证据来自于星系旋转曲线。它是指星系中不同位置处的恒星绕星系中心旋转的速度 v 与它们的旋转半径 r 之间的函数关系曲线 v ( r ) . 在天文观测上，测量星系中大量恒星的位置和速度就可以绘制出这条函数曲线。而在理论上，如果知道星系的质量分布，也可以根据引力理论去计算出这条函数曲线。

1970 年，天文学家鲁宾（V. Rubin）和福特（K. Ford）测量并绘制出了仙女星系的旋转曲线。他们发现，星系旋转曲线在远距离处会趋于平坦，就像下图的白色曲线所示。而根据星系中的可见物质质量分布，通过引力理论计算出的星系旋转曲线却是图中红色曲线。理论值与实际测量值在远距离处存在非常大的分歧，反映出离星系中心较远的恒星的实际运动速度比根据可见物质质量推导出的理论速度要快很多。

星系旋转曲线示意图图片来源：earthsky.org

天文学家们发现大多数星系的旋转曲线测量值都会在远距离处远大于理论值。这意味着什么呢？根据高中物理知识，天体旋转的轨道半径相同时，转速越快，就需要越强的引力作为向心力来将天体束缚住。所以，如果星系的引力仅由可见物质提供，那么在星系外围只有符合红色曲线预言的低速运动的恒星才能被束缚在星系中，那些高速运动的恒星将会由于离心作用而被甩出星系。显然，这种离谱的事情并没有发生，高速运动的恒星也切实地被稳定束缚在星系之中。因此，天文学家们判断星系中不仅有可见物质，还存在大量不可见的暗物质，它们吸引着星系外围的恒星，为恒星高速旋转提供了足够的引力作为向心力。

暗物质的第三项观测证据来自于引力透镜效应。这是广义相对论预言的一种天文现象。在广义相对论中，时空会被大质量天体所弯曲，光线在经过这些天体周围时路径会发生偏折，就像经过了一个透镜一样。由于星系团的质量非常大，所以它们的引力透镜效应足够强烈，能够被哈勃望远镜观察到。根据引力透镜效应的观测数据，天文学家们可以反推出星系团的质量分布，从而确定其中暗物质的分布。

由哈勃望远镜拍摄到的引力透镜（环状结构，它们就是因引力而发生偏折的光线）图片来源：NASA

2006 年，一项针对子弹星系团的研究结果发布。天文学家们通过子弹星系团的引力透镜效应推算出了它的质量分布，然后根据它发射的 X 射线信号推算出了星系团中可见物质的分布。如下图所示，图中红色部分是由 X 射线信号反映出的子弹星系团中可见物质的分布，蓝色部分则是由引力透镜效应反推出的星系团总质量分布，可以看到二者是不重合的。这说明可见物质实际上并不能主导星系团的质量，它们只占星系团总物质的一小部分，星系团的大部分质量是由不可见的暗物质提供的。

子弹星系团的总质量分布（蓝）和可见物质分布（红）图片来源：NASA

暗物质还有一项重要的观测证据来自于 CMB 各向异性的测量。前面我们说过，CMB 是分布在整个宇宙中的自由穿梭的光子。把探测卫星对准天空的各个方向，就可以接收到这些 CMB，然后像画世界地图一样画出 CMB 在整个天空或者说天球上的分布，如下图所示。可以看到 CMB 在有的方向上密集一些，有的方向上稀疏一些，这叫做 CMB 的各向异性。

宇宙微波背景辐射（CMB）在天空各个方向的分布。图中暖色为辐射密度高的方向，冷色为辐射密度低的方向图片来源：Planck collaboration

通过数学手段可以把观测到的 CMB 的天球分布按照球谐函数展开，得到一个各向异性谱函数，如下图所示。这和暗物质有什么关系呢？实际上，根据现代宇宙学的理论和模型，我们可以推导出这个函数。理论推导出的函数图像与很多宇宙学参数有关，这其中就包括宇宙中各种物质组分的占比。设置不同的物质组分占比可以得到不同的函数图像。宇宙学家们发现，当设置宇宙中可见物质、暗物质、暗能量的占比分别为 5%、26%、69% 的时候，就可以将理论推导出的函数曲线与实际观测到的各向异性谱最佳拟合。而如果不引入暗物质和暗能量，那么无论如何也解释不了观测到的各向异性谱。因此，这个结果证实了暗物质和暗能量的存在。

宇宙微波背景辐射（CMB）的各向异性谱，它反映了各个角分辨率上 CMB 的涨落幅度。横轴 l 被定义为 180 ° 除以角分辨率，纵轴数字越大表示这个角分辨率下的涨落幅度越强。图片来源：NASA

暗物质可能是什么？

前面我们说过，像中微子、大质量黑洞这些已知的暗物质的总量与可见物质相比是非常少的，可能还不到可见物质的 1%，但是 CMB 各向异性谱的测量结果却告诉我们宇宙中暗物质的占比是可见物质的 5 倍多。所以，绝大多数暗物质都是人类尚未知晓的物质组分。

暗物质可能是什么呢？一种被广泛考虑的可能性是未知的粒子。人类目前已发现的微观粒子种类非常多。但其中能够稳定存在的只有电子、光子、中微子、质子以及原子核内的中子。其他粒子的寿命都非常短，会在产生后很快衰变，因此不可能作为暗物质。

为了解释暗物质，理论物理学家们从基本理论出发构建了许许多多可能的暗物质粒子模型，包括超对称粒子、轴子、惰性中微子、暗光子等等。为了寻找这些未知的粒子，实验物理学家们也针对不同的理论模型设计了许多种实验方案，主要包括深地实验、空间卫星实验还有粒子对撞机实验等。不过它们都没有发现显著的暗物质信号。

可能有的读者会感到疑惑，难道我们的宇宙中不存在未知的粒子吗？并不是。实际上，人类目前所能实现的实验精度十分有限，只能够做到排除暗物质物理参数范围的一小部分。还有更多的参数范围是当前的实验难以企及的，暗物质粒子的信息可能就隐藏在其中的某个角落。

中国锦屏地下实验室示意图，暗物质探测实验 CDEX、PandaX 在这里开展图片来源：中国锦屏地下实验室

另一种可能的暗物质是原初黑洞。之前我们提到的黑洞都是由恒星坍缩而来的大质量黑洞，它们的质量无一例外都超过了奥本海默极限（约 2 倍太阳质量）。然而，黑洞不仅可以从恒星坍缩而来。在宇宙刚诞生，恒星还不存在的时候，宇宙中可能存在强烈的密度涨落，也就是说某些区域的物质密度小一些，某些区域的物质密度大一些。从概率上讲，会存在一些物质密度特别大的区域，这些区域中的物质甚至可以在引力的作用下直接坍缩形成黑洞，这就是所谓的原初黑洞。

原初黑洞的质量可能很小，远低于我们熟悉的恒星死亡后形成的黑洞。这种小黑洞，不容易被我们观测到，但理论上它们可以大量存在，组成暗物质的大部分。但是目前的观测也没有找到原初黑洞的 " 直接证据 "。一些数据甚至已经排除了它们在某些质量范围内的存在。未来，还需要更多精确的观测来验证这个猜想。

有关暗物质的故事到此告一段落。我们看到，这种神秘物质在宏观上展现出了强大的引力效应，足以主导星系、星系团的运动。而在微观上，它却悄悄隐去了身影，连目前最灵敏的探测器都无法捕捉到它的踪迹。想要阐明暗物质的物理本质，人类可能还有很长的路要走。

策划制作

出品丨科普中国

作者丨王清扬中国科学院大学理论物理博士

监制丨中国科普博览

审校丨徐来、林林

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