【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】人类在宇宙中所发现的一切，从物质到辐射，都可以分解成最小的成分。这个世界上的一切都是由原子构成的，这些原子是由原子核和电子组成的，原子核本身是由夸克和胶子构成的。光本身由粒子构成——光子。即使是引力波，理论上也是由引力子构成（人类也许有一天能够创造探测到这种粒子的机器或方法）。但是暗物质呢？暗物质存在的间接证据是巨大而压倒性的，但它也必须是一种粒子吗？
图注：尽管银河系中大多数的暗物质存在于吞噬我们的巨大光环中，但每一个暗物质粒子都在引力的作用下形成了一个椭圆形的轨道。如果暗物质是它自己的反粒子，如果我们知道如何利用它，它可能是自由能的终极来源。图片版权：ESO / L. Cal?ada
如果暗能量可以被解释为空间本身结构固有的能量，那么我们认为的“暗物质”是否也可能是空间本身的固有功能——无论是紧密还是松散耦合到暗能量？也就是说暗物质不是微粒物质，它可以渗透到所有具有（均匀或非均匀（同质或异质））重力效应的空间中？从而解释科学家们的观测结果——更多的是“暗质量”吗？下面让我们来看看证据，看看它什么可能性：
图注：宇宙空间的膨胀(或收缩)是宇宙中包含质量的必然结果。但是膨胀率和随时间的变化量取决于宇宙中有什么。图片版权：NASA / WMAP science team
宇宙最显着的特征之一就是宇宙内部与扩张速率随时间变化的相互关系。通过对许多不同来源（包括恒星，星系，超新星，宇宙微波背景以及宇宙的大尺度结构）的精确测量，我们能够测量这两者确定宇宙是由什么构成的的。理论上可以想象宇宙可能是由各种各样的东西组成的，它们对宇宙膨胀的影响是不同的。
图注：宇宙能量密度的各个组成部分，以及它们可能占主导地位的因素。如果宇宙弦或畴壁存在于任何可观的量，它们将对宇宙的膨胀作出重大贡献。图片版权：E. Siegel / Beyond The Galaxy
宇宙的全部数据，现在我们知道宇宙是由几方面组成的：
1、68％的暗能量，即使在空间本身膨胀的情况下也能保持恒定的能量密度
2、27％暗物质产生重力，随着体积的增加而“稀释”，并且不会通过任何其他已知的力相互作用
3、4.9%的正常物质（即普通物质——组成我们的身体，太阳，星系等等），会产生所有的力，随着体积的增加而“稀释”，力的作用下可聚集在一起，由粒子组成
4、0.1%的中微子是由粒子组成的，它们的引力和弱力是由粒子组成的，只有当它减速到足以表现为物质而不是辐射时才会聚集在一起
5、还有0.01％的光子，它们发挥重力和电磁力起到辐射的作用，并且随着体积增大和波长拉伸而变“稀”
随着时间的推移，这些不同的组成部分变得相对或多或少不重要，其中这些百分比代表了今天的宇宙。
图注：一个明显的膨胀率(y轴)与距离(x轴)的图，与过去扩张得更快的宇宙是一致的，但现在仍在扩张。这是一个现代版的，比哈勃的原作要远不止几千倍。不同的曲线代表了由不同组成成分组成的宇宙。图片版权：Ned Wright, based on the latest data from Betoule et al. (2014)
根据目前最好的测量结果，暗能量在空间中的每个位置，天空中的所有方向以及整个宇宙历史的所有时刻都具有相同的价值和特性。换句话说，暗能量同时出现均匀和各向同性：在任何时候都是一样的。就像我们所知道的那样，暗能量不需要有粒子；它很容易成为空间结构本身固有的属性。
但暗物质是完全不同的
图注：在最大的尺度上星系聚集在一起的方式（蓝色和紫色）不能通过模拟来匹配（红色），除非包含了暗物质。图片版权：Gerard Lemson & the Virgo Consortium, with data from SDSS, 2dFGRS and the Millennium Simulation
为了形成我们在宇宙中看到的结构，特别是在大的宇宙尺度上，暗物质不仅需要存在，还需要聚集在一起。在空间的每个位置都不能有相同的密度，相反它必须集中在过于密集的区域，需要低于平均密度，或者甚至完全不存在于低密度区域。可以从几个不同的观测结果中判断出在不同的空间区域内的物质总量。以下是其中最重要的三个：
图注：大尺度的聚类数据（点）和宇宙的预测有85%的暗物质和15%的正常物质（实线）匹配得非常好。没有中断表示暗物质的温度（和寒冷）;摆动的大小表示正常物质与暗物质的比率。图片版权：L. Anderson et al. (2012), for the Sloan Digital Sky Survey
Top1、物质能谱：
图注：通过引力透镜重建的星系团Abell 370的质量分布显示了两个大质量弥漫性晕圈，与暗物质和两个合并聚类相一致，以产生我们在这里观测到的结果。总体而言，围绕并穿过每个星系，星系团和大量正常物质的存在为5倍的暗物质。图片版权：NASA, ESA, D. Harvey (?cole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland), R. Massey (Durham University, UK), the Hubble SM4 ERO Team and ST-ECF
把宇宙中的物质描绘出来看看星系相互关联的尺度——从开始的那个星系中找到另一个星系的可能性，然后把它描绘出来。如果有一个由均匀物质构成的宇宙，所看到的结构将会被抹去。如果宇宙中有暗物质在早期没有形成，那么小尺度上的结构就会被摧毁。这个物质能谱告诉我们宇宙中大约85%的物质是暗物质，完全不同于质子、中子和电子，而这一暗物质在温度上是冷的，或者与它的静止质量相比，它的动能很小。
Top2、引力透镜：
图注：CMB峰值的结构取决于宇宙中有什么。图片版权：W. Hu and S. Dodelson, Ann.Rev.Astron.Astrophys.40:171-216,2002
观察一个巨大的物体，像类星体，星系或星系团，观察背景光如何被它的存在所扭曲。因为我们理解爱因斯坦的广义相对论引力定律，所以光线弯曲的方式可以推断出每个物体中存在多少质量。通过大量的其他方法可以确定在正常物质的质量：恒星、气体、尘埃、黑洞、等离子体等。我们再次发现，平均来说85％的物质存在是暗物质，而且它分布在一个比普通物质更弥散的云状中，弱透镜和强透镜都证实了这一点。
Top3、宇宙微波背景：
图注：对宇宙的详细研究揭示了宇宙是由物质而非反物质构成的，暗物质和暗能量是必需的，我们不知道这些神秘的起源。然而CMB的波动，大规模结构的形成和相关性，以及现代观测的引力透镜都指向相同的景象。.图片版权：Chris Blake and Sam Moorfield
如果你看一下大爆炸留下的辐射余辉，会发现它大致是均匀的：在各个方向都是2.725 K。但是如果仔细查看细节会发现在几十到几百μK的尺度上，各种角度尺度上都有微小的缺陷。这些波动告诉我们一些重要的东西，包括正常的物质 / 暗物质 / 暗能量密度，但是它们告诉我们的最大的事情是当宇宙只有它当前年龄的0.003％时宇宙是多么统一，答案是密度最大的区域比密度最小的区域密度只有约0.01％。换句话说，暗物质从一开始就统一起来，随着时间的推移而聚集在一起！
综上所述可以得出结论：暗物质必须表现得像一种渗透宇宙的流体（如液体等）一样。这种流体的压强和粘度都很低，它对辐射压力有反应，它不会与光子或正常物质发生碰撞，它是冷的和非相对论性的，它会随着时间的推移聚集在一起。它推动了宇宙中最大尺度的结构的形成。它是高度非齐次（非常不均匀）的，随着时间的推移，这些不均匀性的幅度会增大。
图注：暗物质流模拟图，来自youtube视频截图
这就是可以在宇宙大尺度上确定的，它与观察有关；在小尺度上我们怀疑，但不确定这是因为暗物质是由具有属性的粒子组成的，而这些粒子会在宇宙大尺度上表现出这种行为。之所以认为这是因为宇宙在我们的知识中是由粒子组成的。如果是物质，如果有质量，有一个量子对应，这意味着在某种程度上是一个不可分割的粒子。但是在我们直接探测到这个粒子之前，没有办法排除另一种可能性：这是一种非粒子的射流场，但它对时空的影响与一组粒子的方式是一样的。
图注：WIMP暗物质的约束在实验上非常严格。最低的曲线排除了WIMP（弱相互作用的大质量粒子）横截面和位于其上的任何物体的暗物质质量。图片版权：Xenon-100 Collaboration (2012), via https://arxiv.org/abs/1207.5988
这就是为什么直接检测到是如此重要！作为一个理论家写了关于大尺度结构形成的博士论文，我很清楚人类所能做的在预测可观察性方面，尤其是在大尺度上是非常强大的。但从理论上讲不能确定暗物质是否为粒子。唯一的方法是通过直接检测到；如果没有，可以有强有力的间接证据，但它不会是真理。它似乎与暗能量没有任何联系，因为暗能量在空间上是真正一致的，而大尺度上的预测告诉我们它是如何在引力作用下和其它力相互作用的。
图注：在这个KIPAC / 斯坦福的模拟中，暗物质驱动星系的聚集和大尺度结构的形成。图片版权：O. Hahn and T. Abel (simulation); Ralf Kaehler (visualization)
但暗物质是一种粒子吗？在我们检测到它之前只能假设答案。就其它形式的物质而言，宇宙已经表现出了量子性，因此假设暗物质也是合理的。但请记住，这种推理方式有其局限性。毕竟所有的事情都遵循相同的规则，直到它们不再如此！在我们未知的领域有暗物质等等，在这个宇宙中伟大的未知之前保持谦卑是很重要的！
知识：科学无国界，博科园-科学科普
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：Forbes Science
编译：公子世无双
审校：博科园
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