摘要：在时间尚未诞生的深渊中，那个不可名状的巨人蜷缩成一个点。他的躯体由沸腾的量子泡沫与暴胀的时空褶皱构成，每一寸血肉都浸透着混沌的胎动——直到138亿年前，他在虚无中发出第一声啼哭。
在时间尚未诞生的深渊中，那个不可名状的巨人蜷缩成一个点。他的躯体由沸腾的量子泡沫与暴胀的时空褶皱构成，每一寸血肉都浸透着混沌的胎动——直到138亿年前，他在虚无中发出第一声啼哭。
那是宇宙大爆炸的尖啸。
宇宙巨人的骨骼在创世之初便已成型，却无人得以窥视其形貌。当炽热的原始火球逐渐冷却，构成平凡世界的质子与电子仍在等离子迷雾中挣扎纠缠时，那些幽暗的骸骨早已穿透维度，以超越光速的冰冷触须编织出庞大的引力蛛网。它们被后世称作“暗物质”，实则是巨人真正的骨架——扭曲的、不可直视的、在电磁波谱中永远沉默的宇宙骸骨。
/ 宇宙骸骨：
暗物质编织的时空网络
在宇宙诞生的最初三分钟，光与物质尚未分离。原初的等离子汤中，夸克与胶子如沸腾的熔岩般翻滚，光子被囚禁于这混沌的牢笼——直到大爆炸后约38万年，随着宇宙在膨胀中逐渐冷却，电子与质子结合为中性原子，光子终于挣脱束缚，化作宇宙微波背景辐射中永恒的光之涟漪。但在这史诗般的“黎明”诞生之前，另一种更古老的物质早已悄然编织宇宙的脉络。它们是暗物质——没有电荷、不与电磁波对话的幽灵，在物质与辐射解耦前的极早期宇宙中，便已挣脱热力学枷锁。这些冰冷的粒子以绝对零度般的沉寂，渗入时空的褶皱，用引力在虚空中刻下第一道伤痕。
这些伤痕名为引力势阱。
暗物质粒子在引力作用下聚集成团，组成球状的“暗物质晕（Dark Matter Halo，简称暗晕）”，这些暗晕通常直径可达数万甚至数亿光年，但在浩瀚的宇宙当中，它们仍旧如同深海中渺小的磷火鱼群，仅是在虚无中勾勒出密度起伏的波纹。这些波纹在暴胀的时空幕布上不断放大，逐渐凝结为纵横交错的引力蛛网。这具看不见的宇宙骸骨在宇宙的黑暗时代就已经大致完成，因此当重子物质（构成恒星与行星的物质）从等离子体中冷却时，它们便如同坠入蛛网的飞蛾，被暗物质编织的引力势阱捕获。
星系周围的蓝色物质晕代表的是科学家预期的暗物质分布。/ ESO/L. Calçada
当暗物质框架稳固后，普通物质开始在暗晕的引力作用下坠入，引发气体的坍缩和升温，最终触发核聚变，第一代恒星由此诞生，开始宣告宇宙黑暗时代走向终点。这些早期的大质量恒星的生命周期结束时发生超新星爆发，将重元素抛洒至暗晕外围，为行星与生命的形成埋下伏笔。在这一过程中，暗物质则继续作为引力的支架，支持着星系的形成与演化。
暗物质占据了超过四分之一的宇宙组分，而普通的重子物质则仅占不足5%。庞杂的暗物质在引力的作用下，构建了宇宙中庞大的纤维状结构——宇宙网，而这张宇宙网就成为了贯穿整个可观测宇宙的引力框架。星系团（如室女座超星系团）形成于宇宙网丝线纤维交汇处，而丝线之间的空洞则延伸出直径数亿光年的虚无疆域。我们所在的银河系，正悬浮在这张巨网上的一条次级丝线的末端，如同一粒微小的露珠。中国郭守敬望远镜（LAMOST）的大规模光谱巡天数据显示，银河系所在的拉尼亚凯亚超星系团，正是依附于一条横跨5.2亿光年的暗物质纤维。
左图是Sloan Digital Sky Survey观测到的我们邻近约二十亿光年范围内的星系分布，图中每个点表示一个星系。右图是名为ELUCID的超级计算机模拟显示的暗物质在相同空间范围内的密度分布。从黄色、白色、蓝色到黑色，显示了从高到低的暗物质密度。/ 王慧元；Wang et al. 2016, ApJ, 831, 164
而这，便是标准宇宙学模型（ΛCDM model）中，对于宇宙诞生和演化的阐释。
/从幽灵到现实：
一场不可知的科学狂想
1906年，法国数学家亨利·庞加莱在评述开尔文勋爵关于银河系质量矛盾的文章时，首次用“matière obscure”一词描述那些隐匿的“黑暗天体”——这是人类第一次以科学的名义，为不可见的宇宙存在赋予名字。开尔文勋爵曾通过恒星运动速度估算银河系总质量，却发现可见物质仅占极小比例，剩余的引力缺口如同深渊，吞噬着所有已知的物理法则。庞加莱的命名如同一把钥匙，打开了通往幽灵宇宙的大门，但当时的科学界尚未准备好直面这种颠覆性的可能：若宇宙的骨架由不可见的物质构成，那么人类引以为傲的“观测即真理”的认知体系或许将轰然崩塌。
这场狂想的序章在1933年迎来第一个高潮。瑞士天文学家弗里茨·茨威基凝视着后发座星系团的旋转数据，发现星系的速度远超引力公式的预言——若仅依赖可见物质，这个包含千余星系的庞然大物早已分崩离析。他断言，星系团中99%的质量属于某种“不可见的存在”，并预言其总量远超可见物质。
宇宙大尺度下的暗物质分布（图中淡蓝色部分）/ NASA
正当弗里茨·茨威基（Fritz Zwicky）凝视后发座星系团的狂乱星系运动时，荷兰天文学家简·奥尔特（Jan Oort）正将目光投向银河系的心脏，他在那里首次遭遇了“隐匿质量”的悖论：通过测量太阳附近恒星的动力学特性（动力学方法），他计算出该区域的质量密度是光学方法（基于恒星亮度估算质量）的两倍以上。这种矛盾暗示着银河系中潜伏着无法被望远镜捕捉的“黑暗物质”，它们像无形的锚链，束缚着恒星的运动轨迹。
然而，这一结论在当时的科学界如同异端，两位先驱的结论在当时饱受质疑。奥尔特的数据被归因于“未观测到的暗淡恒星或气体”，而茨威基的激进假说则被视为“数学幻想”。“暗物质”的存在被束之高阁，直到四十年后，另一位天文学家的观测为这场幽灵狩猎注入新的生命力。
1970年，薇拉·鲁宾与肯特·福特通过仙女座星系的旋转曲线发现，外围恒星的公转速度并未如牛顿力学预言般衰减，反而恒定如钟摆。这一现象的唯一合理解释是：星系外围被某种无形物质包裹，其引力如蛛网般束缚着星辰。鲁宾的发现如同一记惊雷，迫使科学界承认暗物质不仅是数学方程中的幽灵，更是宇宙结构的真正主宰。
如果只有重子物质存在，星系自转曲线应当同红线一般在星系外围迅速衰减，然而实际的观测却发现并非如此，这意味着星系外围有着大量“看不到”的物质存在。率先发现这一现象的科学家之一便是杰出的女性科学家薇拉·鲁宾。来源 / 网络
早期的科研工作者曾经寄希望于依靠晕族大质量致密天体（Massive Compact Halo Object，缩写为MACHO）来解决暗物质难题。这些由中子星、褐矮星或原始黑洞构成的幽暗天体，如同恒星坟场中徘徊的亡灵，被寄望于填补星系质量缺口的深渊。1992年美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory；LLNL）启动了MACHO巡天计划，以爱因斯坦预言的微引力透镜效应为探测利器：当致密天体经过背景恒星前方时，其引力场会短暂聚焦星光，引发持续数日至数周的亮度增强。科学家们用澳大利亚的望远镜凝视大麦哲伦云中数百万颗恒星，试图从光变曲线中捕捉暗物质的蛛丝马迹。然而，历经七年的观测仅发现约20例候选事件，对于银河系内整体的观测数据分析显示MACHOs的总质量尚不足银河系暗物质晕的20%。这无异于宣判了重子物质作为暗物质主体的死刑——宇宙的骨架很难由恒星尸骸铸成。
图中靠右所显示的红色弧线是被引力透镜扭曲的背景星系。这些图像的数量、位置和畸变程度取决于前景中暗物质的分布。版权 / ESA/Hubble & NASA, A. Newman, M. Akhshik, K. Whitaker
MACHO研究的溃败，却为粒子物理打开了一扇新窗。当致密天体的假设被证伪，科学界不得不直面更诡异的可能：暗物质或许已经超越标准模型的疆域，在弱力或超对称的阴影中游荡。20世纪80年代，冷暗物质模型（Cold Dark Matter）的提出为这场狂想注入了理性框架。该模型认为，暗物质由弱相互作用大质量粒子（英语：Weakly interacting massive particles，简称WIMP）构成，它们在宇宙早期以冰川般的缓慢速度聚集，编织出引力势阱的骨架，重子物质随后坠入其中，凝结为星系与星云。冷暗物质模型统治的标准宇宙模型由此确立，WIMPs与轴子成为新的圣杯。而MACHO计划的遗产并未消亡：微引力透镜技术则蜕变为系外行星猎人的利器，NASA的开普勒空间望远镜和TESS（凌日系外行星巡天卫星）用它搜寻遥远世界的生命呼吸；LIGO探测到的原初黑洞合并事件，也仍在挑战暗物质与重子物质的边界。
然而，暗物质的本质始终笼罩在迷雾中。标准宇宙模型完美解释了宇宙大尺度结构的形成，却也将矛盾推向更深的维度：为何至今无人捕捉到暗物质的踪迹？
to be continued.
编辑：千里雁啼
来源：中科院物理所