暗物质和暗能量是宇宙主要的组成部分，被认为是“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”，是基础物理与宇宙学研究最前沿的方向之一。对暗物质突破性的研究进展将极大促进人们对基本自然规律以及宇宙演化的理解。国际上对暗物质的研究极为重视，美国和欧洲都为之进行了详细周密的规划，开展了一系列相关项目规划。中国也将暗物质的研究纳入了中长期规划，在过去的几年中国在暗物质探测方面实现了长足进步，在四川锦屏山地下实验室开展多项暗物质直接探测试验，暗物质粒子卫星作为中国空间科学先导专项的首发星，也是中国发射的第1 颗天文卫星，2015 年12 月成功发射。通过观测暗物质粒子湮灭后的粒子产物，有可能在间接探测方向实现对暗物质研究的革命性突破。本文简介暗物质概念提出的历史与暗物质探测的天文学观测手段。

1 怪人兹威基的“狂想”

   暗物质这个名字，是一位脾气极其古怪的加州理工学院天文学家在20世纪30年代创造的，他的名字叫弗里兹·兹威基（Fritz Zwicky）。他以粗暴的性格和卓越的才华闻名遐迩，经常在讨论问题的时候咄咄逼人，甚至变得气势汹汹，连最亲密的合作者都不愿意单独跟他待在一起。然而兹威基有着敏锐的洞察力，他极富创造力地提出了宇宙中存在“暗物质”的假设。兹威基尝试计算了由数千个星系组成的“后发座”星系团中所有能够被观察到的物质的总量（基本上就是把看到的星系们加起来）。结果他惊讶地发现这些物质的总质量所能产生的引力强度竟然不足以让整个星系团聚集在一起。也就是说这些星系都“跑得太快了”，如此之大的逃逸速度应该早就让这些星系跑出这个集团，这样的话“后发座”星系团就分崩离析而不复存在！你可以把整个星系团想象为一个旋转木马，旋转木马转动得太快，上面坐着的星系们互相之间的吸引力太弱了，早就应该都会飞出去才对！正是基于这些观察，兹威基提出了一项在当时看来惊世骇俗的主张，星系团里必定还存在着某种神秘的“黑暗”物质。这些物质不能轻易被直接观察到，但却同样能够产生引力作用，从而帮助星系聚集在一起而不至于被撕碎。不幸的是，兹威基在当时普遍被同行们认为是怪人一个，被人看不起，在差不多40年的时间里，兹威基的有关暗物质的推论没有人愿意认真对待。

     尽管暗物质的话题今天已经为科学家和公众津津乐道，但在1933年，几乎没有人愿意相信宇宙中大部分的物质是人们看不到的，大家似乎还是信奉“眼见为实”。兹威基的想法已经超越了他的时代，他的伟大洞察和理论都被搁置一旁，无人问津。

      既然这种物质既不发光，又不吸收光，也不反射光，人们根本不能直接看到它，找不到更好的名字，物理学们于是就将这种神秘物质称作“暗物质”（图1）。如果没有这种神秘物质的存在，宇宙中的星系将分崩离析。迄今为止尽管有数以百计的模型，但没人知道暗物质的本质究竟是什么。

      图1  哈勃望远镜观测到的一个星系团，暗物质是星系团的主要组成部分，随着质量分布的不同，星系团中大约有数十个大型星系和上千个小型星系构成。

      20 世纪初，当物理学家们最初开始了解到原子的结构组成时，他们曾经以为人类即将洞察整个宇宙中一切物质的本质。然而，70多年过去了，人们才确切地知道今天的宇宙中，暗物质质量所占的比重是可见物质（或者说普通物质——物理学家常常称之为重子物质）的6倍左右，占到宇宙物质成分的24%左右（普通物质占4%），另外72%左右是暗能量——一种充溢宇宙空间的未知能量形式，导致今天的宇宙在加速膨胀。

      原本人们很欣喜地认为，整个世界的物理学基础已经被搞清楚了，人类几乎可以到庆功的时刻了，然而在进入21世纪前竟然被告知在茫茫宇宙中可以看到的物质，或者说自始至终都在研究的东西，只占了相当可怜的一部分。

      确实，要承认宇宙中95%以上的物质都看不到而且几乎一无所知，实在令人有些尴尬。大自然似乎出于某种目的，把宇宙的绝大部分美妙地隐藏了起来。当然人类爆棚的好奇心和自信心在宇宙学的这一世纪谜团前正在大显身手。迄今为止，地球上已经建起十几个寻找暗物质的地下实验室，此前美国、欧洲和日本分别了发射了多个空间探测器寻找暗物质来自宇宙空间的微弱信号。尽管科学家们大海捞针似的撒网，暗物质依然悬念重重。

   
 2 什么是暗物质

     在现代宇宙学中，一般认为暗物质是一种全新的不同于任何我们熟悉的基本粒子。暗物质之所以被冠以“暗”之名，就是因为天文学家迄今为止没有发现这种物质发射出的光子，也就是说暗物质粒子几乎不直接参与电磁相互作用。电磁力是处于电场、磁场或电磁场中的带电粒子所感受到的作用力。

      大自然的4种基本相互作用中，电磁力是其中一种，其他3种是强力、弱力、与引力。光子是传递电磁力的中间媒介，带电粒子倚赖光子为媒介传递电磁力，而电荷是基本粒子的内秉性质。只有带电粒子或带电物质才能够感受到电磁力，发射出光子被人眼或者探测装置看到，这也对探测暗物质粒子的方式提出了挑战。

      在日常生活所遇到的物质的内部，分子与分子之间彼此相互作用的分子间作用力，就是电磁力的一种形式。暗物质不直接参与电磁相互作用，对我们熟悉的日常生活的物理化学过程，暗物质可以说完全不会产生任何影响。事实上，天文学家估计每秒钟都会有成千上万的暗物质粒子穿过人体，但是在暗物质粒子的“眼中”，人体几乎是是透明的。现在主流的暗物质粒子的理论假说认为，暗物质粒子与人体中所含氢、氧、碳、氮等元素的原子核发生碰撞的机率大约只有数十次每天，而且这种暗物质粒子与人体的直接相互作用不会被人体察觉，更不会有任何有害的后果。事实上，有一种寻找暗物质粒子的方法，就是用专门的探测装置去寻找暗物质粒子与核子可能发生的碰撞事件，从而了解暗物质粒子的相关属性，我们把这种手段称之为暗物质粒子的“直接探测”——暗物质粒子虽然看不见，但是这种碰撞就真真切切地发生在这个实验装置里。然而，当两颗暗物质粒子相互撞击时有可能会发生“湮灭反应”——两个粒子抱在一起粉身碎骨，释放出大得多的能量。如果暗物质粒子的质量像现在的主流理论所认为的，是质子的数百倍，那暗物质粒子碰撞时发出的能量将是可见光光子能量的一千亿倍。如果这种湮灭反应发生在人体内，它将可能导致对人体有害的突变。当然，发生这种事件的概率是非常低的。

      迄今为止，人们只能通过宇宙中广泛分布的暗物质结构的引力产生的效应得知（而且已经发现）宇宙中有大量暗物质的存在。现代宇宙学是新兴的一门重要的基础交叉学科，是通过对宇宙自身以及宇宙中天体的观测结果，结合现代物理学的基本认知，研究宇宙大尺度的结构起源与演化等基本问题的学科。宇宙学的研究对象是天体运动和它的第一起因，在人类历史相当长一段时期曾是形而上学的一部分。作为现代科学的重要组成部分，宇宙学起源于哥白尼原则和牛顿力学，它们指出天体和地球上的物体遵守同样的物理原理并解释了天体的运动。一般认为，现代物理宇宙学起源于20世纪的爱因斯坦广义相对论和对极远天体的天文观测，对暗物质的研究更是现代宇宙学和粒子物理学的重要课题之一。

      为了解释暗物质，早期的理论认为暗物质可能是宇宙中未被观测到的由普通物质形成的大质量天体，比如大质量的致密的天体，包括黑洞、中子星、老年的白矮星等，但根据观测实验的结果，这些天体的质量不足以解释暗物质在宇宙中的物质里所占的较大的比例。另一些理论主要通过修正引力理论来解释和暗物质有关的观测现象，比如修正的牛顿动力学理论等理论。而目前科学界对暗物质解释的主流观点认为，暗物质是非重子的亚原子粒子，其粒子属性的认证与研究贯穿宇宙学研究数十年，依然是未解之谜。

3 为什么相信暗物质存在

      20世纪物理学与探测技术飞速发展，使精确研究宇宙的起源与演化成为可能。现代天文学通过“引力透镜效应”、宇宙中大尺度结构的形成、宇宙微波背景辐射等方法和理论来探测暗物质。现代宇宙学中各项独立的观测实验证据，包括对旋涡星系旋转曲线的测量、“子弹头”星系团的研究，引力透镜效应，宇宙中大尺度结构，宇宙微波背景辐射等的观测等，均表明宇宙中存在着具有引力效应但不发射或吸收电磁波（包括可见光）的物质，即暗物质。占宇宙总量较大比例的暗物质和暗能量（导致宇宙的加速膨胀的宇宙组分）的实质是什么，这是当今物理学的两大谜团。

3.1 爱因斯坦引力透镜效应

      根据爱因斯坦的广义相对论，由于时空在大质量天体附近会发生畸变，光线经过邻近区域时会向大质量天体发生偏折，产生汇聚效应。如果从观测者到背景光源的视线上有一个大质量的前景天体（比如暗物质主导的大质量星系团），有时会看到在光源的两侧呈现两个像甚至多个像，就好像有一面凸透镜放在观测者和所观测天体之间一样，“引力透镜效应”（图2）因而得名。顾名思义，引力透镜是因为光的路线被引力改变了。而引力是所有东西所共有的性质（只要是存在于宇宙里的东西，没有无引力的），所以，引力透镜到处都是。一般来讲，当透镜天体正好位于背景和观测者中间的时候，透镜的效应最强。

图2 强引力透镜效应

      通过分析背景光源的扭曲程度、多个像的位置和特性等，可以帮助我们研究中间作为“透镜”的物质分布的性质。根据尺度与效果的不同，引力透镜效应可以分为强引力透镜效应、弱引力透镜效应和微引力透镜效应。在强透镜区域一般可以形成多个背景源的像，甚至圆弧（又称“爱因斯坦环”），而弱透镜区域则只产生比较小的扭曲。强透镜方法通过对爱因斯坦环的曲率和多个像的位置的分析，可以估计测量透镜天体质量，得到暗物质的质量和空间分布信息。暗物质是宇宙的主要组分，是普通物质总量的6倍左右，它的引力作用与常见的物质是一样的，不可避免地产生引力透镜效应。所以通过分析引力透镜来测定星系团里的暗物质分布，测定大尺度上的暗物质分布是现代宇宙学中重要的研究暗物质的手段。

      2006年美国天文学家利用钱德拉X 射线空间望远镜对一个叫做1E0657-558 的星系团（即“子弹头星系团”）进行观测，无意间观测到两个星系团高速碰撞的过程（图3）。星系团之间的碰撞威力之猛，使得两个星系团的暗物质相互穿越的同时，发出可见光的正常物质被甩在身后，天文学家发现引力透镜观察到的物质分布跟发光物质分布明显不同，从而证明暗物质是星系团中的主要物质成分。

图3  1E 0657-558中两个星系团之间的相互碰撞（被形象地称之为“子弹头星系团”）为科学家们提供了有关暗物质存在的强烈证据，图中蓝色代表通过引力透镜的方式测量到的暗物质分布，红色展示的是通过美国钱德拉X射线空间望远镜测量到的普通发光物质的空间分布。可以明显看到引力透镜观察到的物质分布跟发光物质分布明显不同，证明暗物质是星系团中的主要物质成分。

3.2 星系的旋转曲线

      另一个令人信服的暗物质存在的证据，来自于对我们银河系及附近近邻星系的观察。在兹威基提出暗物质的概念40 年后，美国女科学家VeraRubin和其同事Kent Ford在20世纪70年代开展了对仙女座大星云（M31 星系）旋转曲线的研究。运用此前改进的观测技术，他们可以探测到距离星系核区域数十光年的星体的径向运动速度。按照牛顿万有引力定律，如果星系的质量主要集中在星系核区（就像我们看到的M31星系发出的可见光所展示的那样），星系外围的星体的旋转速度将随着离星系中心越远而减小。但观测结果确表明，在相当大的范围内，星系外围星体的速度几乎是恒定不变的——再次出现了兹威基发现的类似现象：仅凭望远镜看到的“可见物质”，远不足以把外围的星体拽住——至少需要10倍以上的质量才能把这些恒星拴在M31 星系中，它们实在转得太快了。既然仙女座星系没有分崩离析，要么意味着牛顿万有引力定律在星系这样的大尺度上是不正确的、需要修改，要么意味着在星系非核心区的更广阔范围内分布有大量的不发光物质，也就是暗物质。他们的工作启发了大量的后续研究工作，现在天文学家认为每一个星系，无论大小，都被各自的暗物质晕团团围住，甚至有些质量小的“矮星系”，暗物质的总量要超过普通物质的1000倍以上。如何解释不同星系尺度的“旋转曲线问题”是形形色色暗物质理论必须克服的困难。

3.3 宇宙大尺度结构

      宇宙大尺度结构在物理宇宙学中是描述可观测宇宙在大范围内（典型的尺度是10亿光年）质量和光的分布特征。近年来大天区星系巡天的结果显示，宇宙似乎显示一种“网状泡沫”结构。几乎所有的星系都分布在狭窄的“纤维带”上，而在它们的中间则是巨大的空洞，其间分布的星系密度要少很多，天文学上称为“空洞”结构。这些空洞的体积巨大，有些直径可达3 亿光年，尽管看上去那里确实是什么也没有，但实际上天文学观测证明这里充斥着暗物质。对宇宙进一步的研究看到，巨大的像是气泡的空洞分隔开了片状的物质结构和星系纤维，而超星系团就像是其中偶尔相对出现的密集节点。

      这种网络结构在宇宙学星系红移巡天可以清楚地看见。在星系巡天观测的三度空间图的结构中显示出迄今所知道宇宙的最大结构。所有这些结构的形成都离不开暗物质的帮助，可以说，暗物质是形成我们宇宙中丰富多彩的结构的重要基石。

3.4 宇宙微波背景辐射

      宇宙微波背景辐射（CosmicMicrowave Background，CMB）的研究在现代天文学、宇宙学以及高能物理学的发展中起着举足轻重的作用。CMB是宇宙大爆炸遗留下来的微弱光子辐射场，携带着丰富的宇宙学信息，几乎是人类认知极早期宇宙演化的唯一有效途径。CMB的发现不仅在半个世纪前开创了宇宙学，近年来对它的精确测量更是将人类带入“精确宇宙学”时代。

      CMB 的测量对探索当代宇宙学、高能物理及基础物理学最前沿问题，例如宇宙加速膨胀及“暗能量”的物理本质、“原初”引力波的探测、早期宇宙暴胀过程的物理机制等起到了核心作用，是最为精确有效的宇宙学“探针”。对CMB温度场空间各向异性的观测研究，极大地推进了人类对宇宙物质组分及早期演化的认知。

      宇宙微波背景是宇宙大爆炸后遗留下来的热辐射，它是一种充满整个宇宙的电磁辐射，其特征和绝对温标2.725 K的黑体辐射相同，频率属于微波范围。1964年美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现宇宙微波背景，并于1978年获得诺贝尔奖。CMB 显示出微小的温度涨落，对应着局部密度的细微差异。宇宙在年轻时期，恒星和行星尚未形成之前，等离子与辐射充满着整个宇宙，随着宇宙的膨胀而逐渐冷却。当宇宙冷却到某个温度时，质子和电子结合形成中性原子。这些原子不再吸收热辐射，因此宇宙逐渐变得透明起来。对CMB的观测显示宇宙中暗物质的组分是可见光普通物质组分的6倍左右，跟大尺度结构的观测结果相吻合。

4 暗物质粒子可能是什么

      暗物质的候选粒子必须满足电中性、与物质的相互作用很弱等特性，不然就已经跟众多研究暗物质的实验和观测结果冲突了。在现有的标准粒子模型中，似乎只有中微子满足条件。实际上，中微子曾经是“热暗物质”模型的候选粒子。热暗物质粒子的质量较小，若中微子作为宇宙的主要组分，则在宇宙早期结构形成时，中微子在大尺度的范围上运动会“抹平”宇宙中正在形成的结构，从而使宇宙中的物质先在更大的尺度上形成结构（如超星系团结构），然后再“碎裂”成更小的结构（如大大小小的星系），即所谓的“从大到小”的顺序，有点“顶层设计”的意味。然而，这与此前介绍的、通过对宇宙微波背景辐射和宇宙大尺度结构演化的观测发现的“从小到大”的顺序完全不符。同时，大量宇宙学的观测数据将中微子总质量限制在宇宙总质量的1%以内，而我们知道暗物质占宇宙物质的1/4左右，这说明中微子最多只能占暗物质的一小部分。这样一来，在标准粒子模型里便没有符合暗物质特性的候选粒子。因此，人们兴奋地尝试着拓展或建立超越标准粒子模型的理论，提出可以解释暗物质的候选粒子新理论。

      如前所述，为了与宇宙大尺度结构形成的观测和数值模拟结果相符合，人们提出了冷暗物质模型。对于冷暗物质粒子，它们的质量较大，运动速度缓慢，远远小于光速。因此根据冷暗物质模型，宇宙结构是自下而上，从小到大一级一级慢慢形成的，小型的天体先在自身的引力下通过气体冷却丢失掉系统的角动量形成结构，然后又相互在引力作用下并合起来，逐渐形成大的天体结构，使得宇宙结构按照“从小到大”顺序演化，这与观测的结果定性上相符合。

      在众多可能组成暗物质的成分中，最热门的要属一种被称为大质量弱相互作用粒子（Weakly InteractingMassive Particle，WIMP）的新粒子了。

     这种粒子与普通物质的作用非常微弱，以致于它们虽然存在于我们周围，却从来没有被探测到过。大质量弱相互作用粒子顾名思义，主要参与弱相互作用、引力相互作用或其他某种可能存在的新型相互作用，具有较大的质量，运动缓慢。WIMP 粒子的候选者主要为“超对称理论”下的中性微子（neutralino）、超对称中微子（sneutrino）和引力微子（gravitino）等。超对称理论作为标准粒子模型的拓展，几乎使得所有已知的基本粒子都有了可能的对应粒子，从而拓展了潜在未知粒子的数目。而这些标准模型粒子的“伴子”由于某种猜想的基本物理特性，其质量可能极大。通过检验超对称理论对标准粒子模型进行拓展后的粒子，可以发现一些粒子能够作为暗物质粒子的候选者，这些粒子均为电中性，有较弱的相互作用。其中，中性微子是超对称理论下最合适的WIMP候选粒子。在标准模型的超对称拓展中，中性微子为最轻的超对称粒子，这保证了它的稳定性，不会轻易衰变，从而能够作为在宇宙中占据较大比例的暗物质的候选者。轴子的质量很轻，但数量足够多便具有冷暗物质的行为，因此轴子是冷暗物质粒子的一个候选者。还有一种被理论物理学家很早就提出来解决强相互作用中所谓“CP问题”的粒子，被称为轴子，长期以来也是理论物理学家追逐的对象，被认为也有可能是暗物质的成分之一。

除了冷暗物质模型外，人们还提出了“温暗物质”模型，这个模型综合考虑了冷暗物质和热暗物质对宇宙结构的“从小到大”和“从大到小”的贡献。这个模型下的候选粒子主要有惰性中微子（Sterile Neutrinos）等。除了这些暗物质候选粒子中闪耀的“明星”理论，还有成百上千种各具特点的暗物质理论。理论的蓬勃发展为探索暗物质打开了一道又一道大门，呈现出生机勃勃的发展状态。说到底，我们并不知道暗物质是什么，我们必须打开思维的局限，反复的审视甚至自我否定，因为一切皆有可能。