我們天體鄰居仙女座星系美麗的旋轉風車提出了一個謎團。將其旋轉速度之快應用已知的物理定律來解釋星系盤的可見物質是無法解釋的。按理說，星系顯質量產生的引力應該導致外圍的恆星移動得比實際速度慢。如果可見物質是全部，那麼仙女座以及幾乎所有此類快速旋轉的星系根本就不應該存在。
宇宙學家認為，某種看不見的物質——暗物質——環繞並滲透仙女座和其他星系，增加了必要的引力，使其保持觀察到的旋轉狀態。暗物質似乎貢獻了宇宙質量的約 25%，它還可以解釋宇宙的其他方面，包括星系團內星系極快的運動、兩個星系團碰撞時產生的物質分佈以及遙遠星系的引力透鏡（引力彎曲光線）的觀測。
最簡單的暗物質理論假設存在一種尚未發現的粒子，貢獻了看不見的質量。但是，儘管數十年來一直在尋找暗物質粒子的直接證據，但沒有人能夠證明它的存在。此外，天文觀測與這種簡單理論之間仍然存在一些差異。這些殘留分歧與未能探測到這種難以捉摸的物質相結合，導致一些科學家質疑傳統理論，並想象出更復雜的暗物質形式。暗物質可能不是由單一型別的粒子組成，而是由更廣泛的暗物質種類組成。畢竟，普通物質以多種形式存在——也許暗物質也同樣複雜。
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在過去的幾年裡，科學家們越來越懷疑存在幾種不同種類的暗物質，甚至更令人感興趣的是，以前未曾懷疑的力量強烈地作用於暗物質，而非常微弱地（或根本不）作用於普通物質。最近對碰撞星系的觀測可能為這一假設提供了初步支援，並且這種力可能有助於解釋基本暗物質模型與觀測之間的一些差異。如果存在複雜的暗物質，它將構成比宇宙學家通常想象的更有趣和更復雜的宇宙。
隱藏的物質
雖然我們尚不知道暗物質是由什麼構成的，但我們確實從觀察到它如何影響正常物質以及對其引力效應的模擬中瞭解了它的一些特性。例如，它的移動速度必須遠低於光速；否則，早期宇宙中存在的密度波動將不會導致今天觀察到的星系結構。因為它不吸收或發射電磁輻射，所以它必須是電中性的。組成暗物質的粒子可能是大質量的，否則它們就必須以接近光速的速度移動，而早期宇宙的資料排除了這一點。它們不能透過將原子核結合在一起的強力相互作用；否則我們就會在暗物質與稱為宇宙射線的高能帶電粒子的相互作用中看到證據。直到最近，科學家們還認為暗物質可能透過弱力（導致放射性衰變）相互作用，但新的觀測結果削弱了這種觀點。（儘管暗物質仍然有可能經歷弱力相互作用，但為了與觀測結果一致，這種相互作用只有在除了暗物質之外還存在其他尚未探測到的粒子時才是合理的。）
我們還知道，暗物質必須在宇宙時間尺度上是穩定的。原因很簡單：沒有可信的機制可以持續產生暗物質；因此，暗物質必須是原始的，這意味著它起源於大爆炸。說粒子是穩定的隱藏著一個深刻的真理；它的穩定性告訴我們，它擁有一種“守恆”的性質——它無法改變——從而禁止粒子衰變，否則會改變守恆性質。我們可以透過呼叫熟悉的電荷來解釋這個術語的含義，電荷確保電子是穩定的。物理學的一個真理是，粒子會衰變成更輕的粒子，除非有什麼東西阻止這種衰變。電子帶電，唯一已知的比它輕的穩定粒子是電中性的：光子和中微子。能量守恆允許電子衰變成這些物體，但由於電荷守恆禁止這種衰變，因此電子仍然是電子。
大多數暗物質理論假設暗粒子具有一個守恆量，由於歷史原因，該守恆量稱為宇稱，暗物質粒子的宇稱為 -1，所有其他已知粒子的宇稱為 +1。然後，暗物質粒子被宇稱禁止衰變成普通物質，因為如果暗實體消失而普通粒子出現，則宇稱將不守恆。
物理學家概述的所有條件的最簡單理論假設存在一種單一粒子負責暗物質，稱為 WIMP，即弱相互作用大質量粒子。（這裡的術語“弱”是在一般意義上使用的，不一定意味著弱核力。）WIMP 在許多理論原因上是有道理的，但事實證明它們比許多物理學家預期的更難找到。自 20 世紀 90 年代以來，科學家們一直在進行各種實驗，旨在透過 WIMP 與普通物質非常罕見的相互作用來直接探測 WIMP。
為了達到必要的靈敏度，探測器被冷卻到極低的溫度並深埋在地下，以遮蔽無處不在的宇宙射線，宇宙射線會模擬暗物質訊號。然而，儘管實驗越來越強大，但仍未出現 WIMP 的確鑿跡象。雖然 WIMP 模型確實解釋了我們觀察到的宇宙的許多方面，但它並沒有解釋所有內容。例如，WIMP 理論預測，應該有比銀河系周圍明顯漩渦的小衛星星系多得多的數量，並且暗物質在星系中心應該比根據星系觀測到的自轉速度看起來更密集。然而，情況正在迅速發展——最近暗能量調查合作組織發現更多衛星星系表明，銀河系矮星系的問題可能僅僅是許多星系尚未被發現。
但最終，這些 WIMP 缺點為更多非常規暗物質模型打開了大門。
複雜暗物質
人們可以想象，不是單一粒子構成所有暗物質，而是存在幾種暗物質粒子，以及多種僅作用於暗物質的力。一種似乎可以調和所有觀測和模擬的想法是暗物質粒子相互作用的可能性——本質上，暗物質粒子可能感受到彼此之間的力，而普通物質感覺不到這種力。例如，這些粒子可以攜帶一種新型的“暗電荷”，這種電荷會吸引或排斥它們，同時保持它們電中性。正如帶有電荷的普通粒子可以發射光子（作為電磁力載體的光粒子）一樣，帶有暗電荷的粒子也可能發射“暗光子”——不是光粒子，而是以與光子與電荷相互作用相同的方式與暗電荷相互作用的粒子。
然而，與正常物質世界的相似之處必須在某個點結束。我們知道這一點的原因如下：假設黑暗世界的規則與我們的規則完全相同。在那個世界裡，暗原子會形成並以與普通物質發射普通光子相同的速率發射暗光子。在我們的世界中，光子的發射允許能量交換，這也是星系最終鬆弛成盤狀物體的原因。星系內部的氣體雲輻射電磁能，這導致雲內部的物質聚集在一起。角動量守恆阻止物質收縮成一個點，但很容易形成盤狀結構。如果控制暗物質行為的規則和力與我們的相同，那麼暗光子的發射將導致所有暗物質星系形成扁平的盤狀。然而，我們知道，解釋我們熟悉的星系所需的大部分暗物質的分佈更像是一個球形雲。因此，我們可以排除暗物質的精確映象世界。
儘管如此，仍然存在許多替代方案。例如，一小部分暗物質有可能反映我們宇宙的規則，而較大一部分暗物質的行為更像簡單的 WIMP。或者，暗電荷可能實際上比我們電子和質子的電荷小得多，從而減少了暗光子發射。包括我們其中一位（Dobrescu）在內的理論家正在生成許多關於暗區可能存在的粒子和力的想法，使用現有資料來指導我們的思考並約束推測。最簡單的場景之一——僅涉及兩種暗物質粒子——讓我們得以一窺複雜暗物質中可能執行的一些物理現象。
暗光子
想象一個存在兩種暗電荷的世界——一種正電荷和一種負電荷。在這個模型中，存在一種暗電磁學，導致暗物質粒子發射和吸收暗光子。由於如假設的那樣，這些粒子以類似於普通電磁學的方式帶電，因此帶正電和帶負電的暗物質粒子應該能夠相遇並湮滅成暗光子，就像普通物質粒子及其帶相反電荷的反物質對應物在接觸時湮滅並釋放光子一樣。
我們可以透過考慮這種力將如何影響星系，對暗電磁力的大小以及暗物質湮滅發生的頻率得出一些結論。回想一下，星系具有扁平結構的原因是電磁學允許普通物質失去能量並沉降到盤狀結構中。即使沒有湮滅，這種能量損失也會發生。因為我們知道暗物質主要呈球形分佈在大多數星系周圍，並且不會坍縮成盤狀，所以我們可以得出結論，它不能以普通物質相同的速率透過暗光子發射失去能量。在 2009 年發表的一項研究中，當時都在加州理工學院的 Lotty Ackerman、Matthew R. Buckley、Sean M. Carroll 和 Marc Kamionkowski 表明，這一要求意味著暗電荷必須非常小，約為電荷值的 1%。然而，即使在如此低的值下，這種力仍然可能存在並對星系產生重大影響。
暗星系
到目前為止，我們已經描述了一種由帶電暗粒子及其帶相反電荷的匹配物發射暗光子組成的暗物質版本。但這種情況與普通物質的複雜性相比仍然相形見絀。一個具有多種不同帶電粒子的暗物質世界會是什麼樣子？
有許多複雜的暗物質理論包括兩種或多種假設的暗粒子。哈佛大學的 JiJi Fan、Andrey Katz、Lisa Randall 和 Matthew Reece 在 2013 年提出了一個特別有趣的例子，他們將他們的模型稱為“部分相互作用暗物質”。他們假設大部分暗物質是由 WIMP 組成的，但也假設一個小成分由兩類稱為費米子的粒子組成：一類重粒子，一類輕粒子，兩者都帶有暗電荷。（費米子是具有 ½ 量子力學自旋的粒子；在我們熟悉的世界中，質子、中子和構成它們的夸克都是費米子的例子。）由於暗費米子帶有暗電荷，它們會發射暗光子並且可以相互吸引。
雖然必須非常謹慎，不要過度解釋這種對應關係，但所提出的情況與假設暗質子、暗電子和暗光子來攜帶將它們結合在一起的暗電磁學大致相似。根據暗費米子的質量和電荷，它們可以結合形成暗原子，具有自己的暗化學、暗分子，甚至可能更復雜的結構。約翰霍普金斯大學的 David E. Kaplan、Gordan Z. Krnjaic、Keith R. Rehermann 和 Christopher M. Wells 在 2010 年詳細探討了暗原子的概念。
提出暗物質費米子想法的哈佛大學物理學家繼續推匯出可能與暗光子強烈相互作用的暗物質比例的上限，考慮到天文觀測施加的約束。他們確定，它的累積質量可能與所有可見物質的質量一樣大。在這個模型中，銀河系由一個巨大的 WIMP 狀粒子球形雲組成，它貢獻了總物質的 70%，環繞著兩個扁平的盤，每個盤包含 15% 的物質。一個盤是普通物質，包括我們可以看到的旋臂，另一個盤由強烈相互作用的暗物質組成。這兩個盤不需要完全對齊，但它們將具有相似的方向。在圖中，暗物質星系基本上與我們熟悉的銀河系共存於同一空間。一個警示：暗物質星系不包括暗恆星或大型行星，因為這些星系會透過它們對普通物質的引力透鏡效應而被觀察到。
這個想法聽起來可能很激進，但我們星系中的額外盤不會對與之共存的普通物質宇宙產生太大影響。畢竟，為了正確，任何關於暗物質的理論都必須與現有可見物質的觀測結果相一致。我們可能生活在這樣的宇宙中而甚至不知道它。
實驗前景
科學家可以像搜尋 WIMP 一樣搜尋複雜暗物質：使用靈敏的地下探測器。部分相互作用暗物質模型的一個結果是，其物質集中盤大致位於銀河系可見物質的同一平面上，因此透過我們探測器的這種形式的暗物質將比 WIMP 模型預測的更密集。增加的密度可能導致這些探測器比傳統理論預測的更有可能發現暗物質。
除了進行此類實驗外，物理學家還希望在粒子加速器中製造暗物質，以及在那裡產生的所有其他奇異粒子。因為我們對暗物質如何與普通物質相互作用知之甚少——因此加速器內部的哪些特定過程可能導致暗物質產生——科學家們已經開始了一項廣泛的調查計劃。該計劃對各種暗物質模型都很敏感，從簡單的 WIMP 到更復雜的暗區，儘管我們必須做出一些假設，例如暗物質透過比重力（所有已知力中最弱的力）強得多但又弱到尚未被觀察到的力或力與普通物質相互作用。這種假設是必要的，因為如果暗物質僅透過引力相互作用，我們將永遠無法在任何可以想象的加速器中創造它，也無法在任何直接搜尋中看到它。這種力將不同於暗物質可能透過其自身相互作用的類電荷力。
位於日內瓦附近 CERN 的大型強子對撞機 (LHC) 是世界上能量最高的加速器，這使其在尋找更重的暗物質版本（粒子質量越大，在加速器內部產生它所需的能量就越多）以及暗物質粒子（其相互作用隨著能量升高而變得越來越頻繁）方面具有優勢。因為我們已經知道暗物質只能非常微弱地與普通物質相互作用，所以我們不能期望在由普通物質製成的探測器中直接觀察到它。相反，科學家們透過尋找能量缺失的碰撞來尋找暗物質。例如，兩個質子可能會碰撞併產生一些普通粒子或粒子從碰撞的一側逸出，而另一側則產生幾個暗物質粒子。此類事件的特徵是在探測器一側觀察到能量，而在另一側則沒有任何東西。科學家們計算出，如果不存在暗物質，預計會有多少次碰撞會顯示出這種引人注目的配置，然後檢視是否存在超出預期的碰撞次數。
到目前為止，LHC 內部尚未出現此類過量的跡象——這表明暗物質與普通物質的相互作用必須非常罕見（如果它們確實發生的話）。但是，隨著 LHC 升級後的更高能量的第二次運行於今年春天開始，最近出現了一個看到暗物質跡象的新機會。這意味著本世紀的發現可能指日可待。
除了我們剛剛描述的適用於尋找 WIMP 和複雜暗物質的暗物質搜尋之外，一些方法更具體地針對複雜暗區。其中許多方法都在尋找暗光子。一些模型表明，暗光子可以透過量子力學定律不斷地轉化為普通光子並再次轉化回來，這可能為看到由此產生的光子提供了機會。其他模型表明，某些暗光子具有非零質量（在這種情況下，“光子”一詞的使用被延伸了，因為它們不同於熟悉的無質量光子）。如果暗光子具有質量，它可能會衰變成更輕的粒子。而且由於這種暗光子可以短暫地轉化為普通光子，因此在轉化過程中，它有很小的機會產生電子及其反物質對應物對，或者類似地產生μ子（電子的表親）的物質-反物質對。
因此，包括我們其中一位（林肯）是成員的專案在內的實驗合作，正在尋找產生電子-正電子對或μ子-反μ子對的碰撞。此類研究正在 LHC 和其他加速器設施中進行，例如義大利弗拉斯卡蒂國家核物理研究所的 KLOE-2 專案、弗吉尼亞州紐波特紐斯托馬斯傑斐遜國家加速器設施的重光子搜尋 (HPS) 實驗以及 SLAC 國家加速器實驗室的 BaBar 探測器實驗——科學家們甚至在挖掘 SLAC 已知為 mQ 的實驗十多年前採集的資料。
另一種有趣的方法是利用伊利諾伊州巴達維亞的費米國家加速器實驗室來嘗試製造暗物質粒子束。費米實驗室目前正在產生強烈的中微子束，射向遙遠的探測器。中微子是非常輕的亞原子粒子，基本上只通過弱核力相互作用。如果暗物質透過像暗光子這樣的粒子與普通物質相互作用，那麼暗物質有可能在相同的束流中產生，並且有可能在費米實驗室的 MiniBooNE、MINOS 或 NOvA 探測器中被探測到。
最後，科學家們可以尋找天文跡象，表明暗物質在星系碰撞等情況下正在相互作用。在這種情況下，當一個星系的暗物質猛烈撞擊另一個星系的暗物質時，粒子可能會透過交換暗光子而相互排斥。對星系碰撞的多項研究未能找到這種現象的證據，但就在幾個月前發表的對星系團 Abell 3827 的觀測結果（該星系團特別靠近地球且方向良好）暗示了這樣一種模式。有必要對該星系團和其他星系碰撞進行進一步觀測以確認訊號，但迄今為止來自該星系團的資料對於複雜暗物質模型而言看起來很有希望。
宇宙難題
毫無疑問，我們正面臨一個深刻的難題。在大尺度上，普通的引力束縛物質的行為方式與已知的物理定律和觀察到的質量分佈不一致。由於這種不一致，大多數科學家都確信存在某種形式的暗物質。然而，這種物質採取何種形式已變得越來越有爭議，因為我們的實驗一再未能找到最簡單的暗物質模型的證據。出於這個原因，並且由於簡單的 WIMP 模型預測與天文觀測之間存在一些持續的差異，複雜的暗物質理論正變得越來越有吸引力。這些模型為理論家提供了更多可調整的引數，從而提高了資料與理論之間的一致性。它們也更接近普通物質的變化和豐富性。
對這種方法的一個批評可能是，它過於努力地保持暗物質假說存活。這種情況是否可能類似於被否定了的本輪均輪的想法，16 世紀的天文學家試圖透過不斷調整一個有致命缺陷的理論來保持地心說？我們認為不是，因為暗物質非常好地解釋了許多天文難題，並且沒有先驗的理由表明暗物質應該像 WIMP 假設那樣簡單。
真正的資訊是，我們面前有一個謎團，我們不知道答案是什麼。在我們找到答案之前，我們必須對無數種解釋持開放態度，包括我們可能與黑暗的平行現實並存的迷人可能性。有沒有可能暗物質科學家已經將注意力轉向他們的天空，並且正在思考我們？