1846年9月23日，柏林天文臺臺長約翰·戈特弗裡德·加勒收到了一封信，這封信將改變天文學史的程序。這封信來自一位法國人，名叫於爾班·勒維耶，他一直在研究天王星的運動，並得出結論，認為天王星的路徑無法用作用於它的已知引力來解釋。勒維耶提出存在一個迄今未被觀測到的物體，其引力以精確的方式擾亂了天王星的軌道，從而解釋了異常的觀測結果。根據勒維耶的指示，加勒當晚用他的望遠鏡觀測並發現了海王星。
一個類似的戲劇——天文學家觀察到異常的宇宙運動，推斷出新物質的存在並去尋找它——今天在現代宇宙學中再次上演。在天王星的角色中，我們看到恆星和星系以它們不應該的方式運動；在海王星的角色中，我們推斷出迄今未被觀測到的物質的存在，暫且稱為暗物質和暗能量。從我們看到的異常型別中，我們可以收集到一些關於它們的基本事實。暗物質似乎是充滿空間的不均勻的隱形粒子海洋；暗能量均勻分佈，並且表現得好像它被編織到空間本身的結構中。科學家們尚未重複加勒的成就，即用儀器指向天空並明確地瞥見未見的參與者，但誘人的跡象，例如粒子探測器中的閃爍，仍在不斷積累。
海王星最初是被發現為天王星上的一個影子力，後來被證明是一個迷人的世界。暗物質和暗能量的情況是否也如此？科學家們越來越認為，特別是暗物質，不僅僅是為了解釋可見物質運動而人為捏造的東西，而是宇宙隱藏的一面，擁有豐富的內在生命。它可能由一個名副其實的粒子動物園組成，這些粒子透過新的自然力相互作用——一個與我們自己的宇宙悄然交織在一起的完整宇宙。
關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的有影響力的故事的未來。
黑暗面
這些想法與長期以來認為暗物質和暗能量是宇宙中最反社會物質的假設有所不同。自從天文學家在 20 世紀 30 年代首次推斷出暗物質的存在以來，他們一直認為惰性是其決定性特徵。觀測表明，它的質量是普通物質的 6 倍到 1 倍。星系和星系團嵌入巨大的暗物質球，或“暈”中。天文學家推斷，如此大量的物質要逃避直接探測，就必須由幾乎不與普通物質相互作用，甚至彼此之間也不相互作用的粒子組成。它們所做的只是為發光物質提供引力支架。
天文學家認為，光暈在宇宙歷史的早期就形成了，然後吸引了普通物質，普通物質能夠產生豐富的行為，發展成複雜的結構，而暗物質由於是惰性的，因此仍保持其原始狀態。至於暗能量，其唯一作用似乎是加速宇宙膨脹，現有證據表明，在宇宙的生命週期中，它一直完全沒有變化。
暗物質可能更有趣的前景，與其說是天文學領域驅動的，不如說是對原子內部運作和亞原子粒子世界的詳細研究驅動的。粒子物理學家有從已知物質的行為中看到未知物質形式的蛛絲馬跡的傳統，並且他們的證據與宇宙運動完全無關。
在暗物質的情況下，思路始於 20 世紀初放射性 β 衰變的發現。義大利理論家恩里科·費米試圖透過假設一種新的自然力和新的力攜帶粒子來解釋這種現象，這些粒子導致原子核衰變。這種新的力類似於電磁力，新的粒子類似於光子，即光粒子——但有一個關鍵的轉折。與無質量且因此高度移動的光子不同，費米認為新粒子必須是重粒子。它們的質量將限制它們的範圍，並解釋為什麼這種力會導致原子核分裂，但在其他方面卻不引人注意。為了重現觀測到的放射性同位素的半衰期，它們必須相當重——大約是質子的 100 倍，或大約 100 吉電子伏特，以粒子物理學的標準單位計。
這種新的力現在被稱為弱核力，假設的力攜帶粒子是 W 和 Z 粒子，它們在 20 世紀 80 年代被發現。它們本身不是暗物質，但它們的特性暗示了暗物質。先驗地，它們不應該這麼重。它們的高質量表明，有什麼東西在作用於它們——新的粒子，這些粒子導致它們像一個朋友鼓勵你屈服於誘惑並再吃一塊蛋糕一樣獲得質量。大型強子對撞機的目標之一是尋找那些粒子，它們的質量應該與 W 和 Z 粒子的質量相當。事實上，物理學家認為可能還有數十種粒子等待被發現——每種已知的粒子都有一種，以稱為超對稱的排列方式配對。
這些假設的粒子包括一些統稱為弱相互作用重粒子或 WIMP 的粒子。這個名稱的由來是因為這些粒子僅透過弱核力相互作用。由於對主導日常世界的電力和磁力免疫，它們完全不可見，並且幾乎對正常粒子沒有任何直接影響。因此，它們是宇宙暗物質的完美候選者。
然而，它們是否真的可以解釋暗物質，取決於它們的數量。粒子物理學的論證真正獲得吸引力的地方就在這裡。像任何其他種類的粒子一樣，WIMP 會在大爆炸的狂潮中產生。當時的高能粒子碰撞既產生又摧毀了 WIMP，從而允許一定數量的 WIMP 在任何給定時刻存在。這個數字隨時間而變化，具體取決於宇宙膨脹驅動的兩種競爭效應。第一個是原始湯的冷卻，這減少了可用於產生 WIMP 的能量，因此它們的數量減少了。第二個效應是粒子的稀釋，這降低了碰撞的頻率，直到它們有效地停止發生。在那時，大約在大爆炸後 10 納秒，WIMP 的數量被凍結了。宇宙不再具有產生 WIMP 所需的能量，也不再具有摧毀它們所需的密集質量濃度。
考慮到 WIMP 的預期質量及其相互作用的強度（這決定了它們相互湮滅的頻率），物理學家可以輕鬆計算出應該剩下多少 WIMP。非常令人驚訝的是，這個數字與今天解釋宇宙暗物質所需的數字相匹配，在質量和相互作用強度估計的精度範圍內。這種非凡的一致性被稱為 WIMP 巧合。因此，一個世紀前粒子物理學中的一個難題所激發的粒子完美地解釋了宇宙學觀測。
這條證據線索也表明 WIMP 是惰性的。一個簡單的計算預測，自從您開始閱讀這篇文章以來，已經有近十億個這樣的粒子穿過您的身體，除非您特別幸運，否則沒有一個粒子產生任何明顯的效應。在一年中，您可能期望只有一個 WIMP 從原子核散射開來
在您的細胞中並沉積一些微薄的能量。為了有希望檢測到此類事件，物理學家將其粒子探測器設定為長時間監測大量液體或其他材料。天文學家還在星系中尋找輻射爆發，這些爆發標誌著軌道 WIMP 的罕見碰撞和湮滅。尋找 WIMP 的第三種方法是嘗試在地面實驗中合成它們。
勝過 WIMP
現在為 WIMP 搜尋投入的巨大努力可能會讓人覺得這些粒子是唯一理論上合理的暗物質候選者。它們是嗎？事實上，粒子物理學的最新進展已經發現了其他可能性。這項工作暗示 WIMP 只是冰山一角。隱藏在表面之下的可能是隱藏的世界，包括它們自己的物質粒子和力。
其中一項進展是比 WIMP 更弱的粒子的概念。理論表明，在宇宙歷史的第一個納秒內形成的 WIMP 可能是不穩定的。幾秒到幾天後，它們可能會衰變為質量相當但不透過弱核力相互作用的粒子；引力是它們與自然界其餘部分的唯一聯絡。物理學家開玩笑地稱它們為超 WIMP。
這個想法是，這些粒子，而不是 WIMP，構成了當今宇宙的暗物質。超 WIMP 將逃避直接觀測搜尋，但可以從它們在星系形狀上留下的蛛絲馬跡中推斷出來。當產生時，超 WIMP 將以接近光速的重要比例移動。它們需要時間才能靜止下來，並且星系在它們靜止下來之前無法開始形成。這種延遲將減少物質吸積到星系中心的時間，然後宇宙膨脹將其稀釋。因此，暗物質暈中心的密度應該揭示它們是由 WIMP 還是超 WIMP 構成；天文學家現在正在檢查。此外，從 WIMP 到超 WIMP 的衰變應該會產生光子或電子作為副產品，這些粒子可以撞擊輕原子核並將其分解。有一些證據表明宇宙中的鋰含量低於預期，而超 WIMP 假設是解釋這種差異的一種方法。
超 WIMP 情景還激發了實驗物理學家可能觀察到的新可能性。例如，最初的 WIMP 不必是暗的或弱的；它可能帶有電荷。它所帶有的任何電荷都不會影響宇宙的演化，因為該粒子衰變得太快了。然而，這將意味著如果實驗人員能夠重新創造它們，WIMP 將非常引人注目。粒子探測器會將它們記錄為類固醇上的電子；這種粒子與電子具有相同的電荷，但質量是電子的 100,000 倍，它會像炮彈一樣穿過探測器，在其路徑上留下壯觀的軌跡。
黑暗力，隱藏的世界
超 WIMP 模型的主要教訓是，無論從理論上還是觀測上來看，都沒有理由認為暗物質應該像天文學家傾向於假設的那樣無聊。一旦承認存在具有超出標準 WIMP 情景屬性的隱藏粒子的可能性，自然就會考慮各種可能性。是否可能存在整個隱藏粒子扇區？是否可能存在一個與我們的世界完全相同的隱藏世界，其中包含隱藏版本的電子和質子，它們結合形成隱藏的原子和分子，而原子和分子又結合形成隱藏的行星、隱藏的恆星甚至隱藏的人？
隱藏世界可能與我們的世界相同的可能性已被深入探討，最早始於 1956 年李政道和楊振寧在諾貝爾獎獲獎論文中的一句漫不經心的評論，以及最近包括澳大利亞墨爾本大學的羅伯特·富特和雷蒙德·沃爾卡斯在內的許多其他人的探討。這個想法確實很誘人。我們所看到的暗物質是否真的是一個映象我們世界的隱藏世界的證據？隱藏的物理學家和天文學家是否甚至現在也在透過他們的望遠鏡窺視，並想知道他們的暗物質是什麼，而事實上他們的暗物質是我們？
不幸的是，基本觀測表明隱藏世界不可能是我們可見世界的完全複製品。首先，暗物質比普通物質豐富六倍。其次，如果暗物質的行為像普通物質一樣，光暈就會扁平化形成像銀河系那樣的盤狀——會產生戲劇性的引力後果，但尚未觀察到。最後，與我們相同的隱藏粒子的存在會影響宇宙膨脹，從而改變早期宇宙中氫和氦的合成；成分測量排除了這一點。這些考慮強烈反對存在隱藏的人。
話雖如此，黑暗世界可能確實是由粒子和力組成的複雜網路。在一項研究方向中，包括我們中的一位（馮）和夏威夷大學馬諾阿分校的傑森·庫馬爾在內的幾位研究人員發現，導致 WIMP 的同一超對稱框架允許存在缺乏 WIMP 但具有多種其他型別粒子的替代情景。更重要的是，在許多這些無 WIMP 理論中，這些粒子透過新假設的暗力彼此相互作用。我們發現，這種力會改變早期宇宙中粒子的產生和湮滅速率，但數字再次表明，剩下的粒子數量恰好可以解釋暗物質。這些模型預測，暗物質可能伴隨著隱藏的弱力，甚至更令人驚訝的是，隱藏版本的電磁力，這意味著暗物質可能會發射和反射隱藏的光。
當然，這種“光”對我們來說是不可見的，因此暗物質對我們的眼睛來說仍然是黑暗的。儘管如此，新的力可能會產生非常顯著的影響。例如，它們可能會導致暗粒子云在相互穿過時變形。天文學家已經在著名的子彈星系團中尋找這種效應，子彈星系團由兩個相互穿過的星系團組成。觀測表明，星系團短暫的混合在很大程度上沒有擾亂暗物質，這表明任何暗力都不可能非常強。研究人員正在其他系統中繼續尋找。
這種力還將允許暗粒子彼此交換能量和動量，這一過程將傾向於使它們同質化，並導致最初不對稱的光暈變成球形。對於小星系（也稱為矮星系）來說，這種同質化過程應該最為明顯，在矮星系中，暗物質移動緩慢，粒子在彼此附近停留，小效應有時間積累。小星系系統地比它們較大的同類星系更圓的觀測結果將是暗物質透過新力相互作用的明顯跡象。天文學家才剛剛開始進行必要的研究。
從一種黑暗事物到另一種
同樣有趣的可能是暗物質與暗能量相互作用。大多數現有理論將兩者視為不相關的，但實際上沒有理由必須如此，物理學家現在正在考慮暗物質和暗能量如何相互影響。一種希望是，兩者之間的耦合可能會緩解一些宇宙學問題，例如巧合問題——為什麼兩者的密度相當。暗能量大約是暗物質密度的三倍，但這個比率可能曾經是 1,000 或一百萬。如果暗物質以某種方式觸發了暗能量的出現，那麼這種巧合就說得通了。
與暗能量的耦合也可能允許暗物質粒子以普通粒子不具備的方式相互作用。最近的模型允許甚至有時強制暗能量對暗物質施加與對普通物質不同的力。在這種力的影響下，暗物質會傾向於與任何與其交織在一起的普通物質分離。2006 年，加州理工學院的馬克·卡米翁科夫斯基和當時在加拿大多倫多理論天體物理研究所的邁克爾·凱斯登建議在被其較大的鄰居撕裂的矮星系中尋找這種效應。例如，人馬座矮星系正在被銀河系肢解，天文學家認為其暗物質和普通物質正在溢位到我們的星系中。卡米翁科夫斯基和凱斯登計算出，如果作用於暗物質的力至少比作用於普通物質的力強或弱 4%，那麼這兩個成分應該會漂移分開一段可觀測的距離。然而，目前的資料沒有顯示出任何類似的情況。
另一個想法是，暗物質和暗能量之間的聯絡會改變宇宙結構的生長，而宇宙結構的生長微妙地取決於宇宙的組成，包括其黑暗面。包括我們中的一位（特羅登）與康奈爾大學的合作者瑞秋·比恩、埃安納·弗拉納根和伊斯特萬·拉茲洛在內的許多研究人員最近利用這種強大的約束來排除了一大類模型。
儘管有這些無效的結果，但現在關於複雜黑暗世界的理論案例如此令人信服，以至於許多研究人員會發現，如果暗物質最終只不過是一群未分化的 WIMP，那就更令人驚訝了。畢竟，可見物質包含豐富的粒子譜，具有由美麗的潛在對稱性原理決定的多種相互作用，並且沒有任何跡象表明暗物質和暗能量應該有任何不同。我們可能不會遇到黑暗的恆星、行星或人，但正如我們很難想象沒有海王星、冥王星和甚至更遠的物體群的太陽系一樣，有一天我們可能也無法想象沒有複雜而迷人的黑暗世界的宇宙。