暗物质可能由多种物质构成

　　宇宙大爆炸 图片来源：pixabay
　　暗物质一词集中体现了人类对宇宙中大部分物质本质的无知。宇宙中暗物质的质量大概是其它可见物质质量的5倍。但人类却无法看见它，只能通过暗物质对其他可见物质的引力影响来间接推断它的存在。
　　标准宇宙学模型成功解释了现代星系以及星群的引力增长是由有着最初微小随机运动的无数不可见粒子的原始波动引起的。但这种＂冷暗物质＂可能由不同粒子组成，这其中可能包括弱相互作用有质量粒子、假想的轴粒子以及不和光与可见物质反应的暗原子。研究人员目前还没有检测到这些不可见粒子，但是研究人员通过宇宙微波背景辐射光度的微小变化，检测到了这些物质原始空间分布的波动，该辐射源于炽热的宇宙大爆炸。
　　许多实验都尝试找寻不同种类暗物质的特殊标记，一些是户外观察，一些则是包括大型强子对撞机在内的实验室实验，但目前尚无结果。研究人员已经排除了某种形态的基础粒子以及绝大部分原始黑洞是暗物质主要成分的可能，但部分小行星质量的原始黑洞是否为暗物质还需要进一步检验证实。
　　原始黑洞 图片来源：pixabay
　　Avi Loeb和Matias Zaldarriaga在2005年的一篇论文中指出冷暗物质粒子可以在引力的作用下聚集成约有地球质量的集团，但目前还没有找到能证明该集团存在的证据。观测者们只研究了规模更大的银河系等星系，这些星系的内核由气体和恒星组成，被暗物质光晕包裹着。
　　Vera Rubin在他开创性的研究中指出，星系中气体和恒星的运动的确显示了可见物质聚集的内部区域之外的光晕中存在不可见物质。令人惊讶的是，银河系等星系对暗物质的需求似乎只存在于外围，在那里加速度降到了普遍水平以下，大约是光速除以宇宙的年龄。在标准暗物质解释中，这一事实是未曾预料到的。普遍加速度的根本性意味着我们更有可能并未错过不可见物质，而是发现了引力对于低加速度可见物质运动的影响的变化。
　　该理论是由Moti Milgrom提出的，Milgrom在1983提出了＂修正牛顿动力学＂（MOND）的唯象理论来解释暗物质问题。值得注意的是，他对低加速度修正动力学的简单描述就算是在经过四十年的检验之后也还是十分契合许多星系光晕近乎扁平的旋转曲线。正如＂修正牛顿动力学＂所预测的那样，有关银河系大小星系的现存数据显示，星系外围的旋转速度和星系可见物质的总数量有关（可见物质又被称为重子物质），呈现出＂重子塔利-费希尔关系＂ Avi Loeb和他首位研究生Daniel Eisenstein在1995年的一份论文中指出，标准暗物质解释并没有充分阐明这种关系的紧密性。即使暗物质真的存在，＂修正牛顿动力学＂也提出了最基本的问题：为什么暗物质粒子能够让星系的运动具有基本加速度呢？这是否暗示了暗物质的本质呢？
　　＂修正牛顿动力学＂在比星系更大的层面上面临着挑战。Fritz Zwicky在星群层面上首次假设了暗物质的存在，并为它取名为＂暗物质＂。有关星群等更大系统的证据显示，依照＂修正牛顿动力学＂，即使它们的加速度已经超过阈值，仍然存在无法解释的质量。不仅如此，宇宙微波背景辐射亮度变化中所检测到的极其精准的声学震荡，暗示着除了由电磁相互作用紧密联系在一起的可见物质和辐射流体以外，还存在一种能够自由流动的物质。
　　那么在更小一点的层面呢？Avi Loeb和他的博士后研究员Mohammad Safarzadeh最近研究了盖亚对银河系卫星星系超微弱矮星系观测的最新数据，并发现这些超微弱矮星系的行为与＂修正牛顿动力学＂的预期有所不同。矮星系似乎和星群一样在全面挑战着＂修正牛顿动力学＂的普适性。
　　＂修正牛顿动力学＂适用于银河系却不适用于更小或更大的层面，这是否提供了有关暗物质本质的新见解呢？一种可能性是暗物质的自我作用能力十分强并且能避开星系核心。Avi Loeb和Neal Weiner在2011年的一篇论文中指出，一种类似于带电粒子之间相互作用力的暗区域相互作用，能够让暗物质避开星系内核，同时还能降低星群特有的高碰撞速度。
　　银河系 图片来源：pixabay
　　探测再电离时期全局特征实验（EDGES experiment）显示，氢原子在宇宙伊始会过度冷却，这是人们未曾预料到的，而在该实验结果的启发下，Avi Loeb和Julian Muñoz在2018年的论文中提出了一种新的可能。如果暗物质粒子具有微量电荷，它们就能驱散可见物质，并让氢原子比预期更进一步冷却，这样就符合了实验结果。
　　通过推测部分暗物质粒子带有少量电荷来解释一个异常现象的不确定性，要比通过推测星际物体奥陌陌是由太阳光推动的薄膜来解释六个异常现象更具有推测意味。然而对暗物质本质的研究却能比对外星文明科技特征的找寻获得更多的联邦资金和主流认可。
　　研究人员需要更确切的证据来确定暗物质的本质。希望这个宇宙谜题能够在未来几十年得到解答，从而拼凑出一副完整的拼图。当然，人们也有可能在宇宙中找到比人类更聪明的生命形式，并从他们那里得到答案。虽然这感觉像是在作弊，但毕竟也没有监考老师呀。
　　撰文：Avi Loeb
　　翻译：先雨
　　审校：殷姝雅
　　引进来源：科学美国人
　　本文来自：中国数字科技馆