几十年前，宇宙暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道宇宙暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。宇宙中暗物质和暗能量的总质量是普通物质的6倍，在宇宙能量密度中占了1/4；更重要的是，暗物质和暗能量主导了宇宙结构的形成。宇宙暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的宇宙暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的宇宙暗物质模型，为宇宙暗物质本性的研究带来新的曙光。

简介

大约65年前，第一次发现了宇宙暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系，之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对宇宙暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的宇宙暗物质以被广为接受了。

在引入宇宙暴涨理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的宇宙暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。

当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和宇宙暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，宇宙暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。

因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。

暗能量同时也改变了我们对宇宙暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中宇宙暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正使宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。

不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是宇宙暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有宇宙暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。

另一方面，不与辐射耦合的宇宙暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的宇宙暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷宇宙暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。

在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动（涨落），为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果为n=0.99±0.04。

但是如果我们不了解宇宙暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种宇宙暗物质–中微子和黑洞。但是它们对宇宙暗物质总量的贡献是非常微小的，宇宙暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论宇宙暗物质可能的候选者，由其导致的结构形成，以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示宇宙暗物质的性质。

暗物质的构成

科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但还没有得到足够的验证。美国约翰斯·霍普金斯大学下属的太空望远镜研究所，借助3年前安装在“哈勃”太空望远镜上的“先进测绘照相机”，观察到更远处星系发出的光在两个星系簇中的暗物质干扰下产生的引力透镜现象，进而通过计算机模拟，得到了暗物质的分布图。这两个正在诞生中的星系簇位于南部天穹中，距地球约70亿光年，各拥有约400个星系。所谓引力透镜现象，是指当光在经过具有引力的天体附近时，会像通过凸透镜一样发生弯曲。从理论上说，暗物质也会造成引力透镜现象，但其效果非常微弱，只有“先进测绘照相机”这样的高灵敏度观测设备才能拍摄到，而地面的天文望远镜会因为大气干扰难以看清。

研究人员将这一成果发表在10日将出版的《天体物理杂志》上。论文第一作者、韩裔助理研究员池溟国博士说，他们得到的图像清楚地显示出，我们可见的物质（即观测到的两个星系簇）是在暗物质的网络包围中，处于暗物质最密集的地方，就好比海浪顶端的泡沫。他们认为，这支持了暗物质和可见物质会在引力作用下聚集到一起的猜想，即暗物质集中的地方会吸引可见物质，从而帮助恒星、星系和星系簇的形成。分布图还显示暗物质是聚成一簇簇地密集存在。研究人员据此认为，这验证了暗物质粒子是“非碰撞粒子”的假设，即暗物质粒子如果碰到一起，不会像分子、原子等经典粒子那样发生反弹，而会“若无其事”地继续原先的运动。

他们解释说，如果暗物质粒子彼此发生碰撞，那么它们在频繁碰撞后就会分布比较均衡，而不是密集成簇。科学家早就得到共识：广袤的宇宙是由暗物质、暗能量以及我们人类能感知到的正常物质组成，其中正常物质最少，只占4%，暗物质其次，占有23%的比例，其余都是暗能量。顾名思义，暗物质是人类无法看到的物质，科学家虽然早就断定暗物质以及由暗物质组成的星系的存在，却一直没有发现它们，更不知道他们究竟是由哪些粒子组成的。因此，这次发现实际上是揭开了宇宙一个大秘密，是一次重大的发现。一个由暗物质组成的星系，与正常的星系（如我们的银河系）一样具有极其大的质量，并在宇宙空间中旋转。但是，它与正常的星系不同，里面没有发光的恒星，人们也看不到它。

那么，科学家又是怎样发现了这个被他们命名为“室女座HI21”的星系呢？原来，科学家通过射电望远镜观察的数据可以推算一个星系的旋转速度。他们发现“室女座HI21”星系的旋转速度很大，推断它的质量比完全由正常物质组成的要大。进而，科学家推算这个“室女座HI21”星系的质量是太阳的1亿倍，这个质量对于一个星系来说，虽然不是很大，但如果它是由正常物质组成，就应该包含明亮的恒星，本身应该很亮，但它却是一片黑暗，表明不含有恒星。这样科学家就作出了该星系是由暗物质组成的结论。