放大视角下的暗物质模拟图。 一/暗物质的发现 1930年代，天文学家通过恒星运动，对后发座星系团进行研究，发现其内部存在大量不可见物质，不过那时尚未命名暗物质，而是叫丢失了的质量。 1980年代，天文学家研究银河系转速时，发现银河系外围转速比牛顿力学计算结果要快得多，这就是星系自转曲线问题。依据当时理论，所有星系外围转速都会使物质脱离星系，于是推测星系被大量不可见物质包裹，至此，暗物质正式提出。后来引力透镜效应、宇宙微波背景波动等现象也证明了这一假说。 提到暗物质，就不得不提暗能量，现在宇宙模型普通物质占比4.9%，暗物质占比26.8%，暗能量占比68.3%。二者的区别可用一句话概括——暗物质贡献引力，使物质靠近；暗能量贡献斥力，使物质远离。因为都无法直接观测且不清楚本质，所以都叫“暗”。 二/为什么相信暗物质一定存在 目前，暗物质最有力证据是2006年发现的子弹星系团。这是两个星系团碰撞之后的样子，此次碰撞非常猛烈，导致暗物质和普通物质发生错位，X射线观测到的普通物质和引力透镜观测到的暗物质质量分布不一样。原因在于普通物质不仅存在万有引力，还存在电磁作用，这使物质间有摩擦力，而暗物质没有电磁作用，只有引力，所以普通物质和暗物质的质量中心存在偏差。 2024年6月，《天体物理学杂志》一篇文章的作者通过新方法ICM-SHOX，对X射线、可见光、微波等多种望远镜历史数据进行分析，发现一片区域普通物质与暗物质运动方向相反，经分析得出，这是一种与上文一样的子弹星系团，本次发现巩固了暗物质的地位。 导语中提到的修正牛顿动力学是暗物质目前最有力的竞争者，它是目前唯一一个认为广义相对论错误且相对靠谱的理论，它可以解释上文提到的星系自转曲线问题，但无法解释子弹星系团。 暗物质同时可以解释宇宙中长城、空洞等大尺度结构。因为没有电磁作用，在宇宙大爆炸初暗物质早早靠引力聚集，这是普通物质无法做到的，因为存在电磁作用，它们和光子耦合，光子阻止普通物质聚集。如果没有暗物质，根据现有理论，138亿年根本不够形成宇宙中的庞然大物，至少需要千万亿年，甚至永远都不会形成。但借助暗物质则可很好解释，脱耦后，暗物质因引力已逐渐聚集形成框架，普通物质被暗物质吸引，填充到暗物质框架中，逐渐形成了长城、空洞等大尺度结构，所以暗物质决定宇宙质量整体分布。 三/ 暗物质本质的最近研究 （一）宏观暗物质质量大且不易观测，很容易联想到黑洞，如果不是吸积盘或伴星，黑洞确实很难发现。但暗物质形成于宇宙早期，而恒星坍缩的恒星级黑洞和星系中心的超大质量黑洞则形成较晚，所以组成暗物质的黑洞是目前尚未观测到的黑洞——原初黑洞，这是一种在宇宙大爆炸暴胀时期因扰动使某处密度突增而坍缩形成的黑洞。天文学家也发现了蛛丝马迹，通过引力波探测，LIGO观测的多起黑洞合并事件中发现了角动量为零的黑洞，根据角动量守恒，无论恒星级黑洞还是超大质量黑洞都应有很大的角动量，这种角动量为零的黑洞很可能是原初黑洞。 但2024年6月，华沙大学一团队通过引力透镜发现，如果黑洞是暗物质，那也只能占总量的百分之几，相关研究发表在《天体物理学杂志增刊》和《自然》上。他们通过对大麦哲伦星系8000万颗恒星20年的观测，发现13个特殊微引力透镜事件，理论上，如果构成暗物质的黑洞是10倍太阳质量，那么应发现258个该事件；若质量到100倍，则99个；若1000倍，则27个。这些现象可以通过恒星群解释，但也说明黑洞应该不是暗物质。 （二）微观1. 引力子目前标准粒子模型很成功，它不仅解释已知粒子，还可预言未知粒子。随着2013年希格斯玻色子的发现，模型中所有粒子均已被找到。但如此成功的模型，一旦涉及引力，就必须请出广义相对论，引出引力子。那引力子会是暗物质吗？应该不是，引力子是力的传递者，属于玻色子，而暗物质组成物质，性质更类似费米子，二者有本质不同。 2. 中微子中微子源于原子核衰变，弱相互作用产生。1989年欧洲核子中心证明，中微子有且仅有三种——电中微子、μ中微子和τ中微子。1995年，研究人员推测存在第四种——惰性中微子，与暗物质很类似。但暗物质是由高速运动的少数热暗物质和低速运动的多数冷暗物质组成，低速利于形成大尺度结构，而惰性中微子的高速运动趋向于抹平大尺度结构，再加上中微子质量太小，无法承担暗物质量级，中微子也应该不是暗物质。2016年，世界上最大的中微子探测器IceCube宣告对惰性中微子的搜寻工作以零为结果而告终。后来中国大亚湾实验组对大亚湾核电站的研究更是动摇了惰性中微子存在的理论基础。 3. 轴子作为暗物质候选之一，轴子的提出是为了解决量子色动力学强CP问题。轴子质量比中微子更小，所以更难观测，但可以通过其特性间接观测，轴子和光子在强磁场环境下有一定几率相互转化。地球上，可以依据光子不穿墙而轴子穿墙进行闪光穿墙实验；太阳系中，可以利用太阳这个光子多、磁场强的天然轴子发生器探测轴子；银河系中，可以借助中子星，尤其是强磁场磁星观测其周围现象；而对于河外星系，费米伽马射线望远镜正在探测太阳系和2.4亿光年外NGC1275星系间强磁场中的伽马射线。目前上述实验均未探测到轴子存在的迹象。 4. WIMPWIMP也是暗物质候选之一，全称是大质量弱相互作用粒子。这里的弱相互作用不是指弱力，而是一种较弱的相互作用，如果粒子间存在相互作用，那么可以称为自相互作用暗物质粒子SIDM。这种粒子是一类而不是一种，所以也叫WIMPs。因为质量较大，所以在粒子对撞机中较易发现。 2024年5月，《皇家天文学月刊》的一篇文章称，可以通过检验星系团合并发现这种粒子。因为暗物质框架，星系团暗物质占比高达80%~90%，再加上质量越大的地方暗物质运动越快，合并中的星系团是一个天然巨型暗物质粒子对撞机。未来有希望通过流体力学模拟和更强大的望远镜发现更多现象。 四/ 暗物质相关的最新报道 （一）暗物质湮灭代替核聚变1. 暗星 恒星按出现顺序分为三类，第一批恒星只有氢氦元素，是第三星族星；第二批有少量金属元素，是第二星族星；太阳属于第三批出现的第一星族星，富含金属元素。2007年天文学家预言，在第三星族星之前还有一种特殊天体，氢氦因暗物质框架在星系中心聚集，占比高达99.9%，质量有百万到千万个太阳，直径可达上千天文单位。如此多原料没有坍缩发生核聚变的原因就是那0.1%的暗物质，暗物质会发生特殊湮灭产生代替核聚变抵抗坍缩的能量，同时产生伽马射线和特殊高能电子。虽然可以发光发热，但没有核聚变，也不是恒星。恒星质量越大，温度越高，太阳温度6000℃，据推测这种百万质量级别天体温度只有10000℃。温度低，亮度低，所以称为暗星，但因体积巨大，光度可高达100亿倍太阳光度。 2023年6月，《美国科学院院报》的一篇文章表示，在韦伯发现的几百个潜在高红移天体中，有3颗暗星候选者。如果暗星真的存在，那么在暗物质湮灭完后，将没有能量抵抗引力，普通物质向内坍缩。质量小的暗星会发生核聚变，形成第一批恒星；质量大的则会直接坍缩形成黑洞，成为星系中心超大质量黑洞的种子，解决天文学中超大质量黑洞如何短时间形成的问题。 2. 永生恒星理论上，因为超大质量黑洞的潮汐力和密集恒星带来的强烈恒星风和高能辐射，星系中心是形成恒星较困难的地方，但天文学家在银河系中心发现许多年轻恒星。 2024年5月，arXiv的一篇文章表示，这些年轻恒星不是真年轻，它们实际年龄可能已经上百亿岁，“灵丹妙药”便是暗物质湮灭。与暗星不同的是这些恒星也会核聚变，只是暗物质多，湮灭速率快，核聚变速率慢，演化也非常缓慢。它们将来会向星系中心移动，那里暗物质含量更高，所以这些恒星可能实现永生。 （二）暗大爆炸大爆炸理论中，借助高能实验和天文观测，普通物质的形成时刻可以精确到秒，而暗物质只能确定在暴胀到散射时期之间出现，时间跨度有几十万年。 2023年4月，《物理评论D》的一篇文章表示，暗物质可能不来源于大爆炸，而是第二次大爆炸，也叫暗大爆炸。最开始的宇宙只有高势能真空，又称假真空，大爆炸后变为真真空，释放的能量变为普通物质。在假真空中有些特殊区域叫暗区，这里没有衰变成真真空，而是后来独自相变，由点开始扩散，类似膨胀的气泡，气泡相互碰撞形成暗物质。随着暗物质增多，它们相互湮灭，直到宇宙膨胀速度大于暗物质湮灭速度。相关证据寻找有两种方法：第一，通过悟空号等探测器寻找暗物质湮灭产生的特殊粒子；第二，通过探测相变产生的引力波，这种引力波因宇宙膨胀波长已被拉到光年级，不过可以用多颗脉冲星构成计时阵列，组建光年尺度极敏感的天然引力波探测器。 （三）暗物质加热中子星2024年4月，《宇宙学与天体粒子物理学杂志》的一篇文章表示，如果中子星周围有暗物质，那么可能对其温度造成影响。中子星的巨大引力可使暗物质以极高速度落入，假设暗物质与普通重子发生微弱相互作用，那么就会损失动能，转化成热能，温度升高。先前认为这个过程会很漫长，比宇宙年龄还长，但现在认为，有99%的能量可在几天内转化，100万年就可使中子星温度上升2000℃。而没有吸积等加热途径的中子星温度在1000万年便可下降到2000℃以下，如果未来发现超过1000万年的中子星的温度超过2000℃，便可证明该假说。 （四）暗物质的挑战1. CCC+TL2024年3月，一篇基于CCC+TL的论文试图挑战暗物质，CCC指协变耦合常数，TL指光子疲劳假说，这篇文章的作者与一年前提出宇宙年龄翻倍的是一个人。去年，他为了解决星系早熟问题，假设物理常数可变，推导出新的哈勃常数，从而计算出宇宙年龄267亿岁，因某些问题，他又搬出废弃许久的光子疲劳假说来弥补漏洞。今年，他通过低红移重子声学振荡，推导改写后的弗里德曼方程，得出新模型临界密度只有现在的3.1%，从而得出只有普通物质，没有暗物质和暗能量的结论。新模型不需要暗物质和暗能量便可描述宇宙，但因假设太离谱，尤其是逆天的物理常数可变，因此物理学界很少有人支持。关于这点，作者也认同，只不过目前没有想到证明常数可变的实验。 2. 星系自转曲线问题2024年6月，《天体物理学杂志快报》的一篇文章表示，通过引力透镜判断星系周围引力场，就算距离达到百万光年，曲线依然平直。如果这个结果是真的，那么暗物质晕要比想象的大得多，或者暗物质不存在。 2024年5月，《皇家天文学月刊》的一篇文章表示，星系特殊旋转可能由宇宙空间拓扑缺陷导致，这种缺陷源于宇宙早期相变，没有质量但有引力。广义相对论认为引力源于质量，但本文认为，没有质量也可产生引力，同时提出拓扑缺陷稳定性及观测证据，但没有解决形成原因，也没有否认暗物质在宇宙微波背景等其他方面的证据。 / 结语： 物理学像一张网，新理论不能只解决一个问题，而要把相关问题都解决，而且修改越底层的理论越要谨慎，牵一发而动全身。暗物质理论是目前代价最小的理论，这里的代价最小可理解为引入假设最少，对现有理论改动最小。而新模型不仅要实现原功能，还要解决新问题，但二者孰先孰后并不影响新模型的发展。如果有朝一日暗物质被更好的理论模型代替，也不可否认它在天文学中的重要地位。 参考文献 /[1] Rajendra P Gupta. Testing CCC+TL Cosmology with Observed Baryon Acoustic Oscillation Features[J]. The Astrophysical Journal, 2024,964(1):55 [2] Rajendra P Gupta. JWST early Universe observations and ACDM cosmology[J]. 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