（圖片作者：Matipon Tangmatitham）

作者  李然 (國(guó)家天文臺(tái))

1933年,，加州理工大學(xué)的瑞士天文學(xué)家茨威基在研究星系團(tuán)時(shí)發(fā)現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象：星系相對(duì)于星系團(tuán)中心的運(yùn)動(dòng)速度似乎太快了。星系團(tuán)是星系的集合體,，可以包含數(shù)百個(gè)明亮的星系,，這些星系由共同的引力場(chǎng)束縛。茨威基研究的星系團(tuán)被稱(chēng)作“后發(fā)座星系團(tuán)(Coma cluster)”,，距離銀河系3億光年,。茨威基的同事史密斯(Sinclair Smith)用當(dāng)時(shí)世界上最好的望遠(yuǎn)鏡收集了星系團(tuán)中成員星系的速度。利用引力理論,，天文學(xué)家可以通過(guò)星系的運(yùn)動(dòng)速度推斷星系團(tuán)的總質(zhì)量,，星系的運(yùn)動(dòng)速度越快，說(shuō)明束縛它們的引力場(chǎng)越強(qiáng)大,，也就意味著星系團(tuán)的總質(zhì)量越大,。而茨威基通過(guò)星系速度推斷出星系團(tuán)質(zhì)量顯得太大了些，要比星系的質(zhì)量多出幾百倍,。茨威基一生從不缺乏命名新鮮事物的熱情和天才,，他很快將星系團(tuán)中隱藏的質(zhì)量命名為“暗物質(zhì)”。但由于缺乏其他的獨(dú)立觀測(cè)佐證,，在之后的三十年里,，暗物質(zhì)的概念不時(shí)被人提起，卻又沒(méi)有人認(rèn)真對(duì)待,。

局面在1960年后發(fā)生了改變,，這一次證據(jù)來(lái)自臨近宇宙中的漩渦星系。長(zhǎng)縫光譜儀的發(fā)展使得天文學(xué)家可以一次拍攝河外星系不同區(qū)域的恒星軌道運(yùn)動(dòng)速度,，也就是所謂的“星系旋轉(zhuǎn)曲線”,。和星系團(tuán)中的星系運(yùn)動(dòng)同理，星系中恒星的軌道運(yùn)動(dòng)越快,，意味著星系質(zhì)量越大,。美國(guó)卡內(nèi)基研究所的Vera Rubin和Kent Ford在此后的十年間系統(tǒng)地調(diào)查了近鄰星系的旋轉(zhuǎn)曲線。他們的研究表明,，所有的旋臂星系外圍的恒星似乎都轉(zhuǎn)得太快了,，如果星系主要的質(zhì)量來(lái)自發(fā)光物質(zhì)，那么這些星系外圍的恒星應(yīng)該早已逃逸而去,。這些近鄰的漩渦星系中至少應(yīng)該包含比發(fā)光物質(zhì)多6倍的暗物質(zhì),，才能解釋觀測(cè)的旋轉(zhuǎn)曲線。

宇宙中存在不發(fā)光的物質(zhì)本身并沒(méi)有什么了不起,。人們?cè)缇椭烙钪嬷邪罅康牟话l(fā)光的氣體,，這些氣體四分之三是氫元素，四分之一是氦元素，都是宇宙大爆炸初期合成的,。由于自身的引力作用，氣體會(huì)慢慢聚集在一起形成氣體云,，并進(jìn)一步密集,，最終塌縮。當(dāng)氣體云中心的密度超過(guò)熱核反應(yīng)的臨界密度,，恒星就被點(diǎn)亮了,。但恒星遠(yuǎn)沒(méi)有用盡宇宙中的氫氦元素，星系中可能存在大量這樣的氣體,，不少人猜測(cè)也許它們的質(zhì)量足以束縛星系外圍的恒星,，使得它們老老實(shí)實(shí)地帶在星系中不逃離出去。

然而在七十年代,，星系團(tuán)的觀測(cè)有了新的進(jìn)展,。人們觀測(cè)到了星系團(tuán)中的氣體。這些氣體的溫度非常高,，達(dá)到了10⁷度,，這使得它們可以發(fā)出X-ray輻射。通過(guò)X-ray衛(wèi)星觀測(cè),，人們就可以估計(jì)星系團(tuán)中氣體的質(zhì)量,，而這一質(zhì)量驚人地達(dá)到了恒星質(zhì)量的5倍。但這些新發(fā)現(xiàn)的氣體卻并不能為消失的質(zhì)量負(fù)全責(zé),。事實(shí)上,，熱氣體的發(fā)現(xiàn)反而加劇了質(zhì)量缺失問(wèn)題，因?yàn)檫@些氣體溫度太高了,，如果沒(méi)有強(qiáng)大的引力勢(shì)阱束縛,，這些氣體就會(huì)在很短的時(shí)間里從星系團(tuán)中逃逸殆盡。而束縛這些氣體所需要的物質(zhì)量,，又是這些熱氣體氣體質(zhì)量的10倍左右,。

星系團(tuán)熱氣體的發(fā)現(xiàn)促使科學(xué)家們嚴(yán)肅考慮非重子的暗物質(zhì)粒子。也就是說(shuō),，這些看不見(jiàn)的物質(zhì)也許并不是原子,、分子這些構(gòu)成我們世界的普通物質(zhì)，而是另一種不在標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子,。這種暗物質(zhì)不發(fā)出電磁波,，也不和可見(jiàn)物質(zhì)進(jìn)行相互作用。但天文學(xué)家仍然可以通過(guò)暗物質(zhì)的引力效應(yīng)觀測(cè)到它,。利用廣義相對(duì)論預(yù)言的引力透鏡效應(yīng),，人們甚至可以繪制暗物質(zhì)在宇宙中的分布。圖一是三種觀測(cè)疊加的圖像，顯示了著名的“子彈星系團(tuán)（bullet cluster）”中物質(zhì)分布的情況,。其中,，星系圖像是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡拍攝到的。這些星系構(gòu)成了一個(gè)星系團(tuán),。通過(guò)X-ray望遠(yuǎn)鏡,，人們可以觀測(cè)到星系團(tuán)中熱氣體的分布，在圖片中顯示為紅色的氣體云,。而藍(lán)色的暈狀成分則顯示了由引力透鏡分析繪制出的暗物質(zhì)分布情況,。讀者可以很容看到圖片右側(cè)的錐形氣體分布，這說(shuō)明該星系團(tuán)剛剛由兩個(gè)星系團(tuán)合并而來(lái),。星系團(tuán)A(右側(cè))像子彈一樣打入了星系團(tuán)B（左側(cè)）的內(nèi)部,。而最右邊的藍(lán)色暈，事實(shí)上是原本屬于星系團(tuán)A的暗物質(zhì),。在兩個(gè)星系團(tuán)合并的過(guò)程中,，暗物質(zhì)因?yàn)椴缓推胀ㄎ镔|(zhì)發(fā)生相互作用，于是以更快的速度穿過(guò)了彼此,，而熱氣體團(tuán)塊因?yàn)槭艿较嗷ブg的阻力,，反而落在了暗物質(zhì)后面。

圖1. 子彈星系團(tuán)

（摘自Astronomy picture of the day. 圖像合成者: X-ray圖像: NASA/CXC/CfA/ M.Markevitch etal.; 

引力透鏡圖像: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/ D.Clowe et al. 

光學(xué)圖像: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.）

那么暗物質(zhì)是什么樣的粒子呢,？在70年代暗物質(zhì)存在被肯定的時(shí)候,，科學(xué)家們一度認(rèn)為中微子就是暗物質(zhì)的真身。因?yàn)樵诖蠼y(tǒng)一理論建立后,，物理學(xué)家們意識(shí)到理論上中微子可以具有質(zhì)量,。而七十年代末的實(shí)驗(yàn)測(cè)量更是顯示中微子質(zhì)量可能在30eV左右。這些測(cè)量在現(xiàn)在看來(lái)顯然是高估了中微子的質(zhì)量,，但卻在當(dāng)時(shí)使得人們把中微子看做暗物質(zhì)最可能的候選者,。這樣質(zhì)量很小的粒子，在宇宙早期具有極高的動(dòng)能,，因此被稱(chēng)作“熱暗物質(zhì)”,。但與此相對(duì)的，理論學(xué)家也提出數(shù)種“冷”暗物質(zhì)的候選者,。 相比熱暗物質(zhì),，冷暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量要大的多，在宇宙早期的速度非常低,。

如何區(qū)分這兩種不同的暗物質(zhì)模型,？研究者需要到宇宙的結(jié)構(gòu)中去尋找答案。在大爆炸宇宙學(xué)框架下,，宇宙的早期處于高溫高熱的狀態(tài),，物質(zhì)密度處處相等，只存在微小的起伏。隨著宇宙膨脹,，溫度降低,，物質(zhì)之間的引力開(kāi)始推動(dòng)宇宙中的結(jié)構(gòu)形成。今天我們看到的星球,、恒星,、星系甚至星系團(tuán)，都是演化而來(lái),。而考慮到暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的數(shù)倍,，這些隱藏的質(zhì)量事實(shí)上主導(dǎo)了宇宙中的結(jié)構(gòu)形成,。

那么熱暗物質(zhì)宇宙中的結(jié)構(gòu)形成是什么樣的呢,？俄羅斯天體物理學(xué)家澤爾多維奇（也是俄羅斯原子彈之父）指出，在熱暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中,，熱暗物質(zhì)的動(dòng)能可以在小尺度上抵抗引力的壓迫,。在這樣的宇宙中，首先形成的是巨大的薄餅狀結(jié)構(gòu),，之后“薄餅”會(huì)沿一個(gè)方向塌縮,，變成巨大的絲狀結(jié)構(gòu)。這些巨大的結(jié)構(gòu)由于引力的不穩(wěn)定性,，會(huì)從內(nèi)部碎裂成更小尺度的結(jié)構(gòu),。相對(duì)的，在冷暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中,，首先形成的是小質(zhì)量的團(tuán)塊,。不同的團(tuán)塊通過(guò)合并長(zhǎng)大。這種結(jié)構(gòu)形成模式被稱(chēng)作“等級(jí)成團(tuán)” 和熱暗物質(zhì)自上而下的碎裂式結(jié)構(gòu)形成截然不同,。

宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)究竟是什么樣的,？1977年，哈佛-史密松森天文中心的年輕科學(xué)家Marc.Davis和他的三位同仁展開(kāi)了一項(xiàng)偉大的星系觀測(cè)計(jì)劃,，稱(chēng)為CFA巡天計(jì)劃,。這個(gè)項(xiàng)目對(duì)全天2400個(gè)星系的紅移進(jìn)行了精確測(cè)量。第一期巡天在1982年完成,，觀測(cè)到的星系中最暗的比人類(lèi)肉眼極限還要暗上兩千多倍,。將這些星系畫(huà)在一張圖上，人們將可以粗略的畫(huà)出宇宙的一個(gè)切片的三維地圖,。這個(gè)切片的縱深將達(dá)到前所未有的200兆秒差距,，或者說(shuō)是6億光年的距離。海量的圖像對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)是一筆巨大的財(cái)富,。Marc.Davis說(shuō)：“CFA巡天帶來(lái)了人類(lèi)歷史上前所未見(jiàn)的圖像,。” 

在過(guò)去的研究中，因?yàn)椴恢佬窍档木嚯x,，人們習(xí)慣將觀測(cè)到的星系位置畫(huà)在二維的天球坐標(biāo)系中,。也就是說(shuō)，人們看到的是星系在垂直視線的表面上的投影,。在這樣的圖中,，星系分布看起來(lái)沒(méi)有什么特別的規(guī)律，而這和當(dāng)時(shí)的天文理論并無(wú)沖突,。CFA巡天帶來(lái)了新的可能性?，敻覃愄亍どw勒，哈佛-史密松森天文中心的科學(xué)家,，和她的兩位同事采取了新的繪圖方法,。她們?cè)黾恿司嚯x這一新的維度，立體的呈現(xiàn)了星系在一個(gè)6度厚,，跨度130度的宇宙切片中的分布,。這些星系被畫(huà)在一個(gè)扇形圖中，星系到扇形頂點(diǎn)的長(zhǎng)度代表了星系在視線方向的距離,。在這張粗糙的宇宙地圖上,，星系并不是均勻分布的，而是很明顯的聚集在巨大的纖維結(jié)構(gòu)上,，而纖維結(jié)構(gòu)又似乎附著在巨大的泡狀空洞結(jié)構(gòu)上,。蓋勒和她的同事們很清楚如何令人印象深刻，她們甚至制作了一部一分鐘電影,。電影用立體效果顯示星系在宇宙中的分布,。她們讓這個(gè)小小的宇宙切片緩慢的沿某個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，觀眾似乎是在世界的邊緣向里看,，巨大的“泡泡”和纖維結(jié)構(gòu)令他們摒住呼吸,，激動(dòng)不已。

巨大的“長(zhǎng)城”是否宣告了“熱暗物質(zhì)”的勝利,？很多科學(xué)家已經(jīng)這么認(rèn)為了,，只是需要計(jì)算的證據(jù)支持。然而“長(zhǎng)城”和“空洞”這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的性質(zhì)非常難以通過(guò)傳統(tǒng)的解析方法精確計(jì)算和描述,。Marc.Davis和他的新合作者Simon.White以及Carlos.Frenk打算利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決問(wèn)題,。他們將采用一種被稱(chēng)作“N體數(shù)值模擬”的數(shù)值計(jì)算方法。顧名思意,，N體數(shù)值模擬跟蹤一大群虛擬粒子隨時(shí)間的演化,。每個(gè)虛擬粒子代表宇宙中的一團(tuán)物質(zhì)，粒子相互之間由引力作用聯(lián)系,。在計(jì)算開(kāi)始的時(shí)候,，粒子近乎均勻的分部在虛擬空間的各處,，隨著時(shí)間的演化，在引力的拉扯中聚集,。這類(lèi)似于在計(jì)算機(jī)里建立一個(gè)小宇宙,。如果采用了正確的模型，當(dāng)計(jì)算結(jié)束的時(shí)候,，虛擬粒子空間結(jié)構(gòu)應(yīng)該能很好的和真實(shí)宇宙的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng),。

問(wèn)題是即使使用計(jì)算機(jī)，N體數(shù)值模擬依然是非常復(fù)雜的課題,。Davis,、White和Frenk很長(zhǎng)一段時(shí)間無(wú)法寫(xiě)出能夠完美運(yùn)算的程序。正當(dāng)三個(gè)天文學(xué)家頭疼的時(shí)候,，轉(zhuǎn)機(jī)突現(xiàn),。 Davis和White認(rèn)識(shí)的一位英國(guó)理論物理學(xué)家，George Efstathiou改造了用于凝聚態(tài)物理的計(jì)算機(jī)程序,，使其可以用于解決引力作用下的N體演化問(wèn)題,。經(jīng)過(guò)溝通,，四位科學(xué)家決定用這套程序來(lái)解決宇宙結(jié)構(gòu)形成問(wèn)題,。

在這個(gè)特殊的時(shí)間點(diǎn)，熱暗物質(zhì)（或者中微子）看上去太像是一切問(wèn)題的答案,。然而結(jié)果卻出乎科學(xué)家們意料,。“長(zhǎng)城”和“空洞”狀的結(jié)構(gòu)確實(shí)形成了,，但在這個(gè)宇宙中產(chǎn)生了太多的大尺度結(jié)構(gòu)和巨型空洞,。同時(shí)，因?yàn)闊岚滴镔|(zhì)的動(dòng)能太高,，相對(duì)小尺度的結(jié)構(gòu)——星系,，卻無(wú)法在模擬中生成。如果一定要通過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)算參數(shù)使得星系形成,，那么星系的密集程度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)觀測(cè)所見(jiàn),。“也許我們應(yīng)該試試?yán)浒滴镔|(zhì)模型,，雖然也許它也無(wú)法解決問(wèn)題,。”Carlos Frenk提議,。神奇的事情發(fā)生了,，在計(jì)算機(jī)模擬的冷暗物質(zhì)宇宙中，星系尺度的物質(zhì)團(tuán)塊率先形成,，星系團(tuán),、空洞,、長(zhǎng)城也都隨著時(shí)間演化顯現(xiàn)出來(lái)。這一次,，科學(xué)家找到了正確的道路,。在假設(shè)宇宙空間平坦的數(shù)值模擬中，計(jì)算出的大尺度結(jié)構(gòu)分部看起來(lái)和星系巡天觀測(cè)十分相似,。

圖2. 觀測(cè)中和數(shù)值模擬中的宇宙,。每一個(gè)扇形區(qū)域顯示了宇宙一個(gè)切片中的星系分布。扇形中的每一個(gè)小點(diǎn)都是代表一個(gè)星系,。包含藍(lán)色點(diǎn)的扇形是觀測(cè)數(shù)據(jù),。其中最小的藍(lán)色扇形代表了1977年CFA巡天的觀測(cè)結(jié)果，讀者可以清晰的看到宇宙中巨大的“長(zhǎng)城”和“空洞”,。而包含紅色點(diǎn)的扇形是千禧年數(shù)值模擬,，基于冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型演算得到的宇宙星系分布。讀者可以看出,，冷暗物質(zhì)宇宙中的結(jié)構(gòu)圖樣和觀測(cè)十分相似,。（ 圖片摘自馬普天文所網(wǎng)站，數(shù)據(jù)來(lái)源自：Sloan Digital SkySurvey, 2dF Galaxy Redshift Survey, and Millenium Simulation.）

數(shù)值模擬的結(jié)果發(fā)表在1983年到1988年的一系列文章中,。DEFW四人組干凈利落的解決了冷暗物質(zhì)與熱暗物質(zhì)之爭(zhēng)論,，展示了在暗物質(zhì)主導(dǎo)下的結(jié)構(gòu)形成圖景。在此之后,，計(jì)算機(jī)N體數(shù)值模擬成為了研究宇宙演化問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)理論工具,。因?yàn)閷?duì)宇宙結(jié)構(gòu)演化理論的巨大貢獻(xiàn)，DEFW四人組平分了2011年度的Gruber宇宙學(xué)獎(jiǎng)（50萬(wàn)美元）,。

新的問(wèn)題仍然在不斷浮現(xiàn)。例如,，根據(jù)銀河系的動(dòng)力學(xué)觀測(cè),，天文學(xué)家們推算，銀河系所在的暗暈大約是10000億太陽(yáng)質(zhì)量,。1993年考夫曼等人詳細(xì)研究了星系的形成歷史,，發(fā)現(xiàn)這樣的暗暈（其中包含銀河系這樣大的星系）中，應(yīng)該至少存在100個(gè)質(zhì)量大于100萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的衛(wèi)星星系,?？蓪?shí)際上，我們卻只在銀河系中觀測(cè)到了10多個(gè)這樣的衛(wèi)星星系,。在隨后的一系列研究中,，科學(xué)家們都得到了類(lèi)似的結(jié)論。1999年,，美國(guó)新墨西哥大學(xué)的Kylpin更是直接在文章標(biāo)題中詰問(wèn)“丟失的星系到哪去了”,？這樣的詰問(wèn)中隱含著潛臺(tái)詞,。大多數(shù)科學(xué)家們相信冷暗物質(zhì)模型并沒(méi)有錯(cuò)誤，問(wèn)題在于我們對(duì)星系形成過(guò)程了解不夠,。暗物質(zhì)的結(jié)構(gòu)形成僅僅由引力相互作用推動(dòng),，可以用N體數(shù)值模擬來(lái)研究。但星系形成過(guò)程比暗物質(zhì)暈的形成過(guò)程復(fù)雜的多,，包含恒星形成,，氣體冷卻，超星系爆發(fā),，星系中心超級(jí)黑洞吸積物質(zhì)等一系列物理機(jī)制,。這些過(guò)程很難再數(shù)值模擬中精確計(jì)算?？茖W(xué)家目前仍只能用一些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律,，或者引入簡(jiǎn)單的假設(shè)來(lái)計(jì)算這些過(guò)程的影響。而這些氣體物理過(guò)程對(duì)于子暗暈結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星星系形成的影響也并未完全被搞清楚,。例如宇宙紫外背景光子的存在可能會(huì)使得小暗暈中的恒星形成被抑制,。而另一方面，超新星爆發(fā)則可能會(huì)把相當(dāng)質(zhì)量的氣體推出暗暈的核心區(qū)域,，從而使得暗暈的物質(zhì)分布發(fā)生改變,，變得更容易被潮汐作用打散。這種種的物理機(jī)制都可能是造成“星系丟失”的真正原因,。

但另一方面,，也有少數(shù)人懷疑,，也許宇宙中確實(shí)沒(méi)有形成那些小暗暈,。理論上，有一些暗物質(zhì)粒子的候選者,，如惰性中微子,，可能具有不那么“冷”的特性。這樣的暗物質(zhì)粒子在宇宙早期具有一定的動(dòng)能,，抑制小質(zhì)量暗暈的形成,，但又不至于破壞星系形成的大圖像。這樣的暗物質(zhì)被稱(chēng)作“溫暗物質(zhì)”,。溫暗物質(zhì)宇宙中的結(jié)構(gòu)形成,，在大尺度上和冷暗物質(zhì)宇宙并無(wú)明顯差異，但在小尺度上卻能自然的解釋很多觀測(cè)現(xiàn)象,。例如,，溫暗物質(zhì)宇宙中形成的小質(zhì)量子結(jié)構(gòu)數(shù)目會(huì)顯著少于冷暗物質(zhì)宇宙。這也可能是“丟失星系問(wèn)題”的真正答案,。

圖3 冷暗物質(zhì)宇宙(左)和溫暗物質(zhì)宇宙(右)數(shù)值模擬中形成的暗暈,?？梢钥吹綔匕滴镔|(zhì)數(shù)值模擬中子暗暈的數(shù)目顯著減少(Bose et al. 2016,MNRAS，455,318),。

冷暗物質(zhì)和溫暗物質(zhì),，究竟哪一種構(gòu)成了我們的宇宙？要回答這個(gè)問(wèn)題,，天文學(xué)家需要真正去探測(cè)小質(zhì)量的暗物質(zhì)暈,，而不僅僅是通過(guò)星系的亮度去推斷暗暈的質(zhì)量。天文學(xué)家們需要找到10^7太陽(yáng)質(zhì)量的暗暈,。如果能夠找到足夠多這樣的暗暈,，溫暗物質(zhì)模型的生存空降將會(huì)變得極為狹窄，反之,，冷暗物質(zhì)模型就面臨被排除的危險(xiǎn),。如何尋找這樣的小暗暈？人們寄望于兩個(gè)方法：1. 這些小暗暈可能會(huì)和銀河系中的星流相互作用,，并在星流中留下軌跡,。這些星流上的印記可以被下一代星系巡天LSST觀測(cè)到；2. 這些小暗暈可能會(huì)擾動(dòng)強(qiáng)引力透鏡系統(tǒng),，在觀測(cè)的圖像中留下異常,。利用VLBI射電干涉陣列，在未來(lái)的幾年內(nèi),，引力透鏡專(zhuān)家們將具備探測(cè)這些小質(zhì)量暗暈的能力,。

無(wú)論如何，天文學(xué)家們正走在解開(kāi)暗物質(zhì)謎團(tuán)的路上,。在2016年初舉辦的“暗物質(zhì)最小尺度問(wèn)題”研討會(huì)上,，Carlos Frenk說(shuō)：“現(xiàn)在我們需要解決的問(wèn)題已經(jīng)很清晰， 我將為第一個(gè)找到并測(cè)定一千萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量暗暈的人買(mǎi)一瓶紅酒,?！?/span>