1. 引言
暗物質(zhì)和暗能量是飄在現(xiàn)代物理學(xué)和天文學(xué)上空的“兩朵烏云”。我們?nèi)粘Ｋ煜さ母鞣N東西，如花草、土石、水與空氣等，乃至組成它們的分子、原子甚至電子、光子等，只占整個(gè)宇宙組成的約5%。目前的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型也僅限于解釋這5%的宇宙組成，剩下的95%只是由它們的萬有引力效應(yīng)而被我們所察覺，姑且將其稱為暗能量（約占70%）和暗物質(zhì)（約占25%），其本質(zhì)則完全未知！
人們很容易想到某些天體不發(fā)光，例如褐矮星、行星、小黑洞、碎石等。不過，通過各種觀測(cè)，人們已排除了這些普通物質(zhì)組成的不發(fā)光天體作為暗物質(zhì)主要成分的可能性。例如，宇宙核合成理論表明，如果大量暗物質(zhì)是普通的重子物質(zhì)，那么在宇宙大爆炸時(shí)，重子物質(zhì)密度比較高，會(huì)導(dǎo)致核反應(yīng)更為充分，使殘留的氘核遠(yuǎn)少于實(shí)際觀測(cè)到的量。根據(jù)大爆炸核合成和宇宙微波背景輻射的觀測(cè)，推斷重子物質(zhì)約占宇宙總密度的4.7%。因此，暗物質(zhì)可能是由尚未發(fā)現(xiàn)的粒子組成的，因不帶電荷而不會(huì)發(fā)光（電磁波），所以“暗”。
迄今為止，暗物質(zhì)還沒有在實(shí)驗(yàn)室中被發(fā)現(xiàn)。因此，關(guān)于暗物質(zhì)的主要信息，仍然來自天文學(xué)觀測(cè)。這些觀測(cè)可以給出一些暗物質(zhì)的性質(zhì)，雖不能立即回答暗物質(zhì)是什么的問題，但可以排除許多可能性。
暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)要?dú)w功于天文學(xué)家的觀測(cè)。早在20世紀(jì)30年代，在美國(guó)工作的瑞士天文學(xué)家茨維基分析了離我們比較近的后發(fā)座星系團(tuán)（Coma Cluster）的觀測(cè)數(shù)據(jù)，他發(fā)現(xiàn)根據(jù)其中星系運(yùn)動(dòng)的速度（徑向運(yùn)動(dòng)速度可以根據(jù)星系光譜譜線的多普勒效應(yīng)測(cè)出）推斷的質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于根據(jù)其亮度推測(cè)的質(zhì)量。或者換句話說，如果假定星系團(tuán)中各星系內(nèi)的主要質(zhì)量來自恒星，而這些恒星類似于太陽或我們已觀測(cè)到的恒星，那么其質(zhì)引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以束縛住星系團(tuán)內(nèi)大量高速運(yùn)動(dòng)的星系，這說明星系團(tuán)中存在著大量不發(fā)光的隱形物質(zhì)，它們是星系團(tuán)真正的主宰。茨維基把這種物質(zhì)叫做“dunkleMaterie”即德語的“暗物質(zhì)”。同一時(shí)期，荷蘭天文學(xué)家奧爾特通過分析銀河系盤上恒星的運(yùn)動(dòng)，也發(fā)現(xiàn)其密度高于觀測(cè)到的發(fā)光恒星質(zhì)量。
到了20世紀(jì)70年代，魯賓等人對(duì)包括銀河系、M31 以及一些鄰近的旋渦星系旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行了測(cè)量。在旋渦星系中，恒星和氣體大體是作為一個(gè)整體環(huán)繞中心旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)的向心力由引力提供，因此通過其旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量可以得出引力的大小。我們可以畫出離星系中心不同距離處的旋轉(zhuǎn)速度曲線(圖1)。如果質(zhì)量主要來自發(fā)光的物質(zhì)，那么在旋渦星系發(fā)光的恒星盤的邊緣或外面*，隨著引力減小其旋轉(zhuǎn)速度也應(yīng)迅速減小，但實(shí)際的觀測(cè)表明，這種速度往往并不很快減小，甚至常常保持常數(shù)，說明在恒星盤外應(yīng)該有由不發(fā)光的暗物質(zhì)組成的球形或橢球形暈。
對(duì)于橢圓星系來說，尋找暗物質(zhì)證據(jù)要困難一些，因?yàn)闄E圓星系內(nèi)的恒星沒有一個(gè)整體的轉(zhuǎn)動(dòng)，而是每顆星都各不相同地運(yùn)動(dòng)，只能測(cè)出速度彌散。橢圓星系周圍的中性氫氣體也很少，難以測(cè)量。不過，目前的觀測(cè)也表明，在橢圓星系的外圍速度彌散不顯著降低，因此應(yīng)該也處在暗暈之中。
現(xiàn)在，人們?cè)诤芏嗵煳挠^測(cè)中都發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的證據(jù)。例如，在星系團(tuán)中，除了像茨維基那樣從其成員星系的運(yùn)動(dòng)速度推斷其質(zhì)量（稱為動(dòng)力學(xué)質(zhì)量）外，這些星系團(tuán)中還彌漫著高溫氣體，這些氣體發(fā)出X射線。假定這些氣體處在流體力學(xué)平衡態(tài)（壓強(qiáng)差與引力相平衡），也可以估計(jì)其質(zhì)量。
還有一種辦法是使用引力透鏡觀測(cè)。引力使經(jīng)過星系團(tuán)或星系附近的光發(fā)生偏折，因此如果我們觀測(cè)一個(gè)星系團(tuán)背后的星系，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多星系的形狀發(fā)生扭曲（弱引力透鏡）（圖2），甚至產(chǎn)生光弧或多個(gè)像（強(qiáng)引力透鏡）（圖2）。通過引力透鏡，也可以測(cè)得其質(zhì)量。所有這些測(cè)量都表明星系中存在許多暗物質(zhì)。
圖2 星系團(tuán)Abell 2218 產(chǎn)生的引力透鏡光弧
對(duì)于星系旋轉(zhuǎn)曲線，除了暗物質(zhì)外，也有人提出了另一種解決的思路：也許在星系的尺度上，萬有引力定律不成立，畢竟此前我們只是在太陽系內(nèi)才真正對(duì)其進(jìn)行過檢驗(yàn)。米爾格羅姆提出了修改牛頓引力(MOND)理論，也可以很好地?cái)M合旋轉(zhuǎn)曲線。
但是，從這一思路構(gòu)建一個(gè)自洽、完整的理論相當(dāng)困難，而且對(duì)于星系團(tuán)中的暗物質(zhì)，這一理論解釋得也不太好。另外，子彈頭星系團(tuán)對(duì)這種解釋也是一個(gè)沉重的打擊：子彈頭星系團(tuán)是正在發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系團(tuán)，如圖3所示。利用弱引力透鏡觀測(cè)，人們發(fā)現(xiàn)團(tuán)中物質(zhì)最多的地方也是星系最多的地方，但與X射線亮度分布并不重合，后者是氣體或普通物質(zhì)最多的地方。
這就證明，引力并不以大量的氣體所在之處為中心。在不引入暗物質(zhì)的修改引力理論中很難解釋這一現(xiàn)象，但在暗物質(zhì)理論中因?yàn)榘滴镔|(zhì)相互作用很弱，可以與氣體分離，因此得到自然的解釋。
(a) 圖為光學(xué)圖像，
(b)圖為X射線圖像。曲線表示投影密度分布
宇宙大爆炸理論預(yù)言，在大爆炸時(shí)產(chǎn)生的大量光子將留存到今天，并紅移到微波波段。宇宙微波背景輻射在20世紀(jì)60年代被意外發(fā)現(xiàn)，此后宇宙學(xué)家們開始在這一框架下構(gòu)建宇宙模型。暗物質(zhì)由于其引力作用，在星系形成與演化中起著重要的作用，也是這些模型的重要組成部分。
宇宙微波背景輻射在各個(gè)不同方向上幾乎具有相同的溫度，只有一些微小的漲落（約十萬分之一），這說明早期宇宙是高度均勻的，在引力作用下才演化為今天包含各種星系的非均勻宇宙。這給出了對(duì)暗物質(zhì)性質(zhì)的一個(gè)重要限制：它不能太熱。
如果暗物質(zhì)在宇宙早期比較“熱”，也就是以接近光速運(yùn)動(dòng)，則會(huì)把宇宙的小尺度結(jié)構(gòu)“抹平”，那么要形成宇宙結(jié)構(gòu)，就需要宇宙先形成一些大結(jié)構(gòu)，再分裂成小尺度的星系。但是，在20世紀(jì)80年代，人們就已認(rèn)識(shí)到這不符合對(duì)星系的觀測(cè)結(jié)果。因此，熱暗物質(zhì)模型被排除了，只有冷暗物質(zhì)模型和溫暗物質(zhì)模型還有可能（溫暗物質(zhì)是指暗物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速，但比冷暗物質(zhì)還是高一些，因此可以抹掉小于星系尺度的一些漲落）。
這直接排除了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中看上去最像暗物質(zhì)的粒子——中微子，本來中微子不帶電，與普通物質(zhì)相互作用微弱，因此人們一度認(rèn)為它是很好的暗物質(zhì)候選者，但是中微子質(zhì)量太小，在宇宙早期會(huì)獲得很高的運(yùn)動(dòng)速度，因此屬于熱暗物質(zhì)。
當(dāng)宇宙大爆炸結(jié)束時(shí)，等離子體迅速?gòu)?fù)合，宇宙變得透明，光子終于能夠自由穿梭在宇宙空間里，但振蕩的印記卻完好的保留了下來。那時(shí)的熾熱光子經(jīng)過一百多億年的傳播，形成了現(xiàn)在的宇宙微波背景輻射（CMB）（圖4）。暗物質(zhì)和普通物質(zhì)也同樣留下了振蕩的痕跡，通過觀測(cè)星系的大尺度空間分布的密度起伏，也能找到類似CMB中的振蕩特征，即重子聲波振蕩（BAO）。通過分析CMB功率譜和BAO，人們可以推斷出重子物質(zhì)、光子和暗物質(zhì)所占宇宙的組份，甚至暗物質(zhì)的其他性質(zhì)。
圖4 （a）Planck測(cè)得的宇宙微波背景輻射
（CMB）溫度起伏各向異性天圖；
(b) CMB溫度起伏在不同空間尺度下的幅度，
紅色為觀測(cè)值，綠色為理論計(jì)算曲線
加上宇宙學(xué)常數(shù)暗能量的冷暗物質(zhì)模型(LCDM)總體上能夠很好的描述星系的形成和演化。但是，在觀測(cè)中特別是較小的尺度上也有一些與理論不完全符合的地方。例如，在N體數(shù)值模擬中，像銀河系這樣大小的星系暗暈周圍有成百上千的子暗暈，但實(shí)際上迄今為止人們只看到了幾十個(gè)衛(wèi)星星系（缺失衛(wèi)星問題），而且已發(fā)現(xiàn)的這些衛(wèi)星星系還比模擬中最大的衛(wèi)星星系小。另外，N體模擬得到的暗暈中心密度輪廓比較陡（隨距離縮短密度迅速升高），但是通過對(duì)一些主要由暗物質(zhì)組成的矮星系的觀測(cè)，人們發(fā)現(xiàn)在中心時(shí)其密度并不迅速增加。
這些問題既可能是暗物質(zhì)性質(zhì)引起的（例如，人們提出了溫暗物質(zhì)模型、自相互作用暗物質(zhì)模型、衰變暗物質(zhì)模型等），也可能是純粹由于一些天體物理效應(yīng)造成的，畢竟人們比較容易模擬純引力相互作用，而對(duì)于氣體，特別是其冷卻、恒星形成、反饋等復(fù)雜過程則較難給出準(zhǔn)確的模擬。
一種具有冷暗物質(zhì)性質(zhì)的候選者，是一種只參與萬有引力和弱相互作用而不參與電磁相互作用和強(qiáng)相互作用的未知粒子，其質(zhì)量大于幾個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量，典型值為幾十到幾百GeV，通常稱為弱相互作用重粒子（WIMP）。WIMP完全具備冷暗物質(zhì)的所有性質(zhì)，可以很好的滿足目前大部分天文觀測(cè)。
另外，許多超越標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理理論，最典型的如超對(duì)稱理論，可以自然地預(yù)言存在這樣的粒子。而且，根據(jù)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)估算在宇宙大爆炸中產(chǎn)生這種粒子的數(shù)量，剛好與實(shí)際觀測(cè)到的具有同一數(shù)量級(jí)，因此物理學(xué)家們高興地把這稱之為“WIMP奇跡”。因此，WIMP 是最被看好的暗物質(zhì)粒子候選者。
從理論上來說，WIMP 存在弱相互作用，因而可以在高度屏蔽的地下實(shí)驗(yàn)室中被高靈敏度的探測(cè)器直接探測(cè)，也可以湮滅或衰變?yōu)楦吣芄庾樱ɡ鏧射線、γ射線）、中微子或宇宙線（來自宇宙的電子、質(zhì)子、氦核、少量反物質(zhì)粒子等）等。湮滅可以發(fā)生在銀河系暗暈中，另外這些暗物質(zhì)也可能富集在太陽或地球中心，那里的湮滅也可以通過高能中微子探測(cè)。目前，許多實(shí)驗(yàn)通過觀測(cè)這些湮滅產(chǎn)物間接探測(cè)暗物質(zhì)。例如，探測(cè)γ射線的費(fèi)米衛(wèi)星、探測(cè)宇宙射線的PAMELA衛(wèi)星、側(cè)重探測(cè)反物質(zhì)的AMS-02實(shí)驗(yàn)、以及中國(guó)發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星——“悟空”（圖5（a））等?！拔蚩铡笔悄壳笆澜缟嫌^測(cè)能段范圍最廣、能量分辨率最高的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，它既可以探測(cè)γ射線也可以探測(cè)宇宙射線，真正做到了“火眼金睛”，誓要揪出暗物質(zhì)這個(gè)“妖魔鬼怪”。
這些衛(wèi)星像一個(gè)收集高能粒子的“盒子”，其中裝有高能粒子探測(cè)裝置。當(dāng)有高能光子或宇宙射線打入“盒子”中，探測(cè)裝置就會(huì)判斷是何種粒子，并記錄其能量等參數(shù)。最終科學(xué)家們就會(huì)得到一條隨能量變化的能譜（圖6（b））。通過這條能譜曲線，就可以判斷是否存在暗物質(zhì)湮滅或衰變的跡象。
圖5 (a) 中國(guó)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”；
(b)“悟空”探測(cè)到的高能光子能譜。
“悟空”是目前世界上覆蓋能段最廣，
分辨率最高的暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星
根據(jù)這些空間探測(cè)器的觀測(cè)，人們似乎發(fā)現(xiàn)了一些暗物質(zhì)的蛛絲馬跡，但目前仍然沒有確切的證據(jù)證實(shí)其存在。例如PAMELA衛(wèi)星就觀測(cè)到了大量來自宇宙的正電子，這一結(jié)果也被AMS確認(rèn)，而且Femi衛(wèi)星也觀測(cè)到銀河系中心呈球?qū)ΨQ分布，越靠近中心強(qiáng)度越大的γ射線“云”，這無疑符合WIMP的預(yù)言。但可惜的是這一信號(hào)也有可能來自快速旋轉(zhuǎn)的中子星（即毫秒脈沖星），而且人們并沒有在暗物質(zhì)比例更高的矮星系中觀測(cè)到類似信號(hào)，所以仍然不能確認(rèn)這一信號(hào)來自暗物質(zhì)。另外，我國(guó)的“悟空”就在1.4 TeV能量處探測(cè)到了一個(gè)“峰”（圖4（b）紅色數(shù)據(jù)），有可能是太陽系附近的暗物質(zhì)子暈產(chǎn)生的信號(hào)。然而由于采集樣本數(shù)目偏少，目前還不能確認(rèn)是否是真實(shí)信號(hào)還是統(tǒng)計(jì)漲落。
暗物質(zhì)究竟是什么？是未知粒子還是引力幻覺？大自然有太多的疑問等待我們?nèi)ダ斫?，是困難也同樣是契機(jī)，科學(xué)家們唯有腳踏實(shí)地，昂首前行，才能最終俘獲這宇宙的“幽靈”。
恒星盤的外部還有少量的恒星可供測(cè)量，另外還有由中性氫氣體組成的盤，因此通過觀測(cè)其21cm譜線測(cè)出速度。這些氣體盤本身的質(zhì)量遠(yuǎn)小于恒星盤，不足以產(chǎn)生如此強(qiáng)的引力。
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