“暗物質”這個標籤概括了我們對宇宙中大部分物質本質的無知。它對宇宙質量預算的貢獻是普通物質的五倍。但是我們看不到它。我們只能透過其對可見物質的引力影響間接地推斷出它的存在。
宇宙學標準模型成功地解釋瞭如今星系的引力增長及其成團，這是由無形粒子海洋中最初微小隨機運動的原始漲落驅動的。但是這種“冷暗物質”實際上可能是不同粒子的混合物。它可能由弱相互作用重粒子、軸子等假想粒子，甚至是不與普通物質或光相互作用的暗原子構成。我們尚未探測到任何這些無形粒子，但我們已經測量了它們原始空間分佈漲落的印記，表現為宇宙微波背景輻射（熱大爆炸遺留下來的殘餘輻射）亮度在天空中的輕微變化。
許多實驗正在天空中和實驗室實驗中尋找各種型別暗物質的跡象，包括大型強子對撞機。到目前為止，這項搜尋尚未成功。除了特定型別的基本粒子外，原始黑洞作為暗物質的主要成分也基本上被排除，在小行星質量範圍內，仍有一個有限的開放視窗等待被排除。
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在 2005 年的一篇論文中，我與 Matias Zaldarriaga 一起證明，冷暗物質粒子可以透過引力聚集，尺度小至地球質量。如此微小團塊的證據尚未被發現；觀測者僅研究了更大的系統，即像我們銀河系這樣的星系，它們以氣體和恆星作為其核心，並被暗物質暈包圍。
正如薇拉·魯賓的開創性工作所揭示的那樣，星系中氣體和恆星的動力學確實暗示了在普通物質集中的內部區域之外延伸的暈輪中存在隱形質量。令人驚訝的是，像銀河系這樣的星系對暗物質的需求似乎只出現在外圍區域，在這些區域中，加速度降至一個通用值以下，該值大致等於光速除以宇宙年齡。這是標準暗物質解釋中一個意想不到的事實。通用加速度閾值的基本特性提出了可能性，也許我們不是遺漏了隱形物質，而是目睹了引力對低加速度下可見物質動力學的影響發生變化。
這是 莫迪凱·米爾格羅姆率先提出的想法，他在 1983 年提出了“修正牛頓動力學”（MOND）的唯象理論，以解釋掉暗物質問題。值得注意的是，他提出的低加速度下修正動力學的簡單方案，即使經過四十年的仔細審查，仍然非常好地解釋了許多星系暈輪中近乎平坦的旋轉曲線。正如在 MOND 中預期的那樣，所有關於銀河系大小星系的現有資料都顯示，星系外圍的環繞速度與普通物質（也標記為重子物質）總量之間存在緊密相關性，這體現了所謂的“重子 Tully-Fisher 關係”。在 1995 年的一篇論文中，我與我的第一位研究生丹尼爾·艾森斯坦一起證明，在標準暗物質解釋中，這種關係的緊密性並非易於解釋。即使暗物質存在，MOND 也提出了一個根本問題：為什麼暗物質粒子會為星系的動力學引入一個基本加速度尺度？這是關於它們本質的重要線索嗎？
MOND 在大於星系的尺度上面臨挑戰。更巨大的系統，如星系團——弗裡茨·茲威基最初假定暗物質的存在並創造了它的名字——顯示了缺失質量的證據，即使它們的加速度往往高於 MOND 中的閾值尺度。此外，在宇宙微波背景輻射的亮度漲落中以極高精度檢測到的聲波振盪，暗示除了透過電磁相互作用緊密耦合的普通物質和輻射流體之外，還存在一種自由流動的主要物質成分。
但是最小尺度呢？最近，我與我的博士後穆罕默德·薩法扎德一起研究了來自 蓋亞巡天的超暗矮星系（銀河系的衛星星系）的最新可用資料。我們表明，它們的行為偏離了 MOND 的預期。就像星系團一樣，矮星系似乎也反駁了 MOND 在所有尺度上的普遍性。
MOND 在銀河系尺度上的成功及其在更小和更大尺度上的失敗，是否為我們提供了關於暗物質本質的新見解？一種可能性是暗物質具有強自相互作用，並避開星系核。在 2011 年的一篇論文中，我與尼爾·韋納一起證明，類似於帶電粒子之間電力的暗區相互作用可以促進暗物質避開星系核，而在星系團特徵的高碰撞速度下，這種效應會減弱。
我在 2018 年與朱利安·穆尼奧斯一起在論文中提出的另一種可能性，受到EDGES 實驗的啟發，該實驗報告了宇宙黎明時期氫原子意外的過度冷卻。我們表明，如果一些暗物質粒子具有少量電荷，它們可能會散射普通物質，並將氫原子冷卻到低於預期的水平，正如報告的那樣。
透過推測一部分暗物質粒子略微帶電來解釋一個異常現象，遠比透過推測星際物體‘奧陌陌’是被陽光推動的薄膜來解釋六個異常現象更具推測性。然而，與尋找外星文明的技術特徵相比，關於暗物質本質的推測獲得了更多的聯邦資金和主流合法性。
我們需要更明確的線索來弄清暗物質的本質。希望未來幾十年能為這個宇宙謎團帶來解決方案，讓拼圖的碎片各就各位。或者，我們可能會尋找宇宙街區裡更聰明的孩子，他們會在我們耳邊低語答案。雖然這可能感覺像考試作弊，但請記住，沒有老師在視線範圍內看著我們。
這是一篇觀點和分析文章。