美麗的仙女座星系，我們的宇宙鄰居，呈現出一個謎團。運用已知的物理定律來解釋這個星系盤狀結構的可見物質，無法解釋其驚人的自轉速度。按理說，星系顯而易見的質量所產生的引力應該導致外圍的恆星比實際速度慢。如果星系只有可見物質，那麼仙女座星系——以及幾乎所有此類快速旋轉的星系——根本不應該存在。
宇宙學家認為，某種看不見的物質環繞並滲透著仙女座星系和其他星系，增加了必要的引力，使其保持觀測到的旋轉速度。這種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令人費解的方面，從星系團內星系極快的運動，到星系團碰撞時產生的物質分佈，再到遙遠星系引力彎曲光線的現象，即引力透鏡效應。
最簡單的暗物質理論假設，單一型別的粒子貢獻了看不見的質量。但是，儘管進行了數十年的尋找暗物質粒子的直接證據，但沒有人能夠證明其存在。天文觀測與這個簡單的理論之間也仍然存在一些差異。
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一些科學家已經開始質疑傳統的單粒子理論，並開始設想更復雜的暗物質形式。他們認為，也許存在各種各樣的暗物質。畢竟，普通物質有多種形式——也許暗物質也同樣複雜。
在過去的幾年裡，理論工作和對星系碰撞的觀測都為暗物質有多種型別的觀點提供了初步支援。更耐人尋味的是，這些進展暗示，以前未被察覺的力對暗物質有很強的作用，而對普通物質的作用非常微弱（或根本沒有）。這些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。如果複雜的暗物質確實存在，它將創造一個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，但我們確實從觀測到的暗物質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，我們知道暗物質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就不會導致今天觀測到的星系結構。我們還知道暗物質必須是電中性的，因為它不吸收或發射電磁輻射。
組成暗物質的粒子可能是大質量的，否則它們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。它們不能透過強力相互作用，強力將原子核結合在一起；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（負責放射性衰變）相互作用，但新的觀測結果削弱了這種觀點。如果暗物質確實經歷了弱力相互作用，那麼似乎也必須存在其他尚未被發現的常規物質粒子。
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，這種物質必定起源於原始大爆炸。反過來，這暗示了一個深刻的事實：暗物質在數十億年中的穩定性告訴我們，它具有一種“守恆”特性，這意味著它無法改變。並且它排除了暗物質粒子可能衰變的可能，因為這樣做會改變守恆特性。
這種情況類似於我們熟悉的電荷，它確保了電子的穩定性。物理學的一個真理是，除非有某種東西阻止衰變，否則粒子會衰變成較輕的粒子。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。
在大多數暗物質理論中，暗粒子的守恆量被稱為宇稱，這是歷史原因。暗物質粒子的宇稱為-1；所有其他已知粒子的宇稱均為+1。如果暗物質粒子衰變成普通物質，則宇稱將不守恆。因此，這些理論假設暗粒子被禁止衰變。
物理學家概述的所有條件中最簡單的理論是，一種單一粒子負責暗物質。他們稱之為 WIMP，即弱相互作用大質量粒子。（這裡的術語“弱”是廣義上的使用，並不一定意味著弱核力。）WIMP 在許多理論原因上都有道理，但事實證明，它們比許多物理學家預期的更難找到。
自 1990 年代以來，科學家們一直在進行各種實驗，旨在透過 WIMP 與普通物質之間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。它們也被埋在地下深處，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。
儘管 WIMP 模型確實解釋了我們觀測到的宇宙的許多方面，但它並不能解釋所有內容。例如，WIMP 理論預測，應該有比實際出現在銀河系周圍的衛星星系多得多的衛星星系圍繞銀河系執行。這些理論還預測，根據星系觀測到的自轉速度，暗物質在星系中心應該比看起來更密集。然而，情況正在迅速發展。暗能量調查合作組織最近發現了更多的衛星星系，這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。
儘管如此，這些 WIMP 的缺點為更多非常規的暗物質模型敞開了大門。
複雜的暗物質
可能不僅僅只有一種暗粒子。另一種可能性是，存在幾種型別的暗物質粒子，以及多種僅作用於它們的力。一種似乎可以調和所有觀測和模擬的想法是，暗物質粒子透過某種普通物質無法感覺到的力相互作用。
例如，這些粒子可能攜帶一種新型的“暗電荷”，即使它們是電中性的，也會相互吸引或排斥。帶有電荷的普通粒子可以發射光子（光的粒子，是電磁力的載體）。也許暗粒子帶有暗電荷，可以發射“暗光子”——不是光的粒子，而是以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。如果暗世界的規則與我們的世界完全相同，那麼暗原子將以與普通物質發射普通光子相同的速率形成和發射暗光子。我們從觀察星系的形狀中知道，這種情況不會發生。
光子發射和星系形狀可能看起來沒有關聯，但它們是相關的。正是透過光子的發射，星系內部的氣體雲輻射出電磁能。這種輻射導致雲內部旋轉的物質聚集在一起，並最終鬆弛成盤狀結構。
如果控制暗物質行為的規則和力與我們的規則和力相同，那麼暗光子的發射將導致所有暗物質星系都形成扁平的盤狀結構。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，暗物質的一小部分有可能映象我們宇宙的規則，而其餘部分的行為更像簡單的 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，從而導致暗光子發射量大大減少。
理論家，包括我們中的一位（多佈雷斯庫），正在使用現有資料來指導我們的思考和約束推測，從而產生關於暗區可能的粒子和力的許多想法。最簡單的場景之一隻涉及兩種暗物質粒子。它讓我們一窺可能在複雜暗物質中運作的一些物理學。
暗光子
想象一個暗世界，其中存在兩種暗電荷——一種是正電荷，一種是負電荷。在這個世界中，一種形式的暗電磁學允許暗物質粒子發射和吸收暗光子。暗粒子以類似於普通電子和反電子（又名正電子）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，就像電子和反電子在接觸時湮滅並將它們的總質量轉化為等量的光子一樣。
透過考慮這種力將如何影響星系，我們可以對暗電磁力的大小——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圓盤中。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，並且不會坍縮成圓盤，所以我們可以得出結論，它不能以與普通物質相同的速率透過暗光子發射來損失能量。
在 2009 年發表的一項研究中，當時都在加州理工學院的洛蒂·阿克曼、馬修·R·巴克利、肖恩·M·卡羅爾和馬克·卡米昂科夫斯基表明，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，並對星系的結構產生重大影響。
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反粒子組成併發出暗光子的暗物質版本。但與普通物質的複雜性相比，這種情況仍然相形見絀。一個擁有多種不同帶電粒子的暗物質世界會是什麼樣子？
許多複雜的暗物質理論都包含兩種或多種假設的暗粒子。哈佛大學的季姬·範、安德烈·卡茨、麗莎·蘭德爾和馬修·里斯於 2013 年提出了一個特別有趣的例子，他們將自己的模型稱為“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。但他們也假設，一小部分由兩類暗費米子組成。（費米子是具有 1/2 量子力學自旋的粒子，例如質子、中子和構成它們的夸克。）該理論中的一種暗費米子是重型的，另一種是輕型的，但都帶有暗電荷。因此，它們都發射暗光子，並且可以相互吸引。
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，儘管必須注意不要過度解讀這種對應關係。如果暗費米子具有適當的質量和電荷，它們可能會結合形成具有自己暗化學、暗分子甚至可能更復雜結構的暗原子。約翰·霍普金斯大學的大衛·E·卡普蘭、戈登·Z·克爾尼亞伊奇、基思·R·雷赫曼和克里斯托弗·M·韋爾斯於 2010 年詳細探討了暗原子的概念。
提出暗物質費米子的哈佛大學物理學家繼續推匯出暗物質中可能與暗光子強烈相互作用的部分的上限，考慮到天文觀測施加的約束。他們確定，此類粒子的總質量可能等於所有可見物質的質量。
在這個模型中，銀河系由一個巨大的球形 WIMP 狀暗粒子云組成，它貢獻了總物質的 70%，環繞著兩個扁平的圓盤，每個圓盤包含 15% 的物質。一個圓盤是普通物質，包括我們可以看到的旋臂，另一個圓盤由強烈相互作用的暗物質組成。這兩個圓盤不必完全對齊，但它們將具有相似的朝向。
在這個畫面中，一個暗物質星系基本上與我們熟悉的銀河系共存於同一空間。一個警告：暗物質星系不能包含暗恆星或大型行星。如果它包含，它們將對來自普通物質的光線造成引力透鏡效應；尚未觀察到這種效應。
這個想法聽起來可能很激進，但我們星系中的額外圓盤對與其共存的普通物質宇宙幾乎不會產生任何改變。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一個宇宙中，甚至都不知道。
實驗前景
科學家們可以用與搜尋 WIMP 相同的方法來搜尋複雜的暗物質：使用靈敏的地下探測器。哈佛大學部分相互作用暗物質模型的一個結果是，任何穿過我們探測器的暗費米子的密度都將高於 WIMP 模型中預測的密度。如果正確，增加的密度可能意味著用這些探測器找到暗物質的機率高於傳統理論預測的機率。
尋找此類暗粒子的工作正在進行中。物理學家也在粒子加速器上進行實驗，希望製造出暗物質，以及高能碰撞產生的其他所有奇異粒子。因為我們對暗物質如何與普通物質相互作用知之甚少——因此也不知道加速器內部的哪些特定過程可能產生暗物質——所以調查計劃是故意廣泛的。它對從簡單的 WIMP 到更復雜的暗區的模型都很敏感。
當然，我們必須做出一些假設。例如，如果暗物質僅透過引力相互作用，那麼我們永遠無法在任何可想見的加速器中創造它，也無法在任何直接搜尋中看到它——引力太弱了。因此，科學家們假設暗物質透過一種或多種力與普通物質相互作用，這些力比引力強得多，但又足夠弱，以至於尚未被觀察到。我們應該注意到，這種連線暗物質和普通物質的力被認為與暗物質可能透過其自身相互作用的類電荷力不同。
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。這使其在尋找較重版本的暗物質時具有優勢，原因有兩個。首先，粒子的質量越大，在加速器中產生它所需的能量就越多。其次，暗物質粒子可能會隨著能量的升高而更頻繁地相互作用。
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。因此，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，科學家們一直在尋找碰撞中能量缺失的現象來搜尋暗物質。
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。探測器將在一側記錄能量，而在另一側記錄不到任何能量。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驚人的配置。然後，他們檢查是否超出預期。
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，即使它們確實發生。但是，隨著 LHC 升級後的更高能量的第二次運行於 6 月開始，看到了暗物質跡象的新機會開始了。這意味著本世紀的發現可能就在眼前。
我們剛剛描述的暗物質搜尋適用於尋找 WIMP 和複雜的暗物質。但是，其他正在開發的方法更專門針對複雜的暗區。其中許多方法都在搜尋暗光子。
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變回暗光子，這可能為觀察由此產生的光子提供機會。其他模型表明，某些暗“光子”具有非零質量（與熟悉的無質量光子截然不同）。如果暗光子具有質量，則它有可能衰變成更輕的粒子。如果暗光子確實可以短暫地轉化為普通光子，那麼在轉化過程中，它有很小的機會產生電子和反電子對（也稱為正電子）。或者，它可能會產生μ子（電子的表親）和反μ子。
實驗合作組織，包括我們中的一位（林肯）參與的專案，現在正在監測加速器碰撞中電子-反電子對或μ子-反μ子對的產生。除了在 LHC 進行的研究之外，這項工作還在義大利國家核物理研究所弗拉斯卡蒂國家實驗室的 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實驗以及加利福尼亞州門洛帕克 SLAC 國家加速器實驗室的 BaBar 探測器實驗中進行。科學家們甚至在挖掘十多年前 SLAC 一項名為 mQ 的實驗中獲取的資料。
我們在伊利諾伊州巴塔維亞費米國家加速器實驗室的小組正在嘗試透過向遙遠的探測器發射強烈的neutrinos束來製造暗物質粒子。中微子是非常輕的亞原子粒子，它們基本上只通過弱核力相互作用。如果暗物質透過暗光子之類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，科學家們可以搜尋天文跡象，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。對星系碰撞的幾項研究未能找到這種現象的證據。但是，最近對特別靠近地球且方向良好的星系團 Abell 3827 的觀測暗示了這種模式。需要對該星系團和其他星系碰撞進行進一步觀測才能證實該訊號，但到目前為止，來自該星系團的資料對於複雜的暗物質模型看起來很有希望。
宇宙難題
毫無疑問，我們正面臨著一個深刻的難題。在大尺度上，普通的引力束縛物質的行為與已知的物理定律和觀測到的質量分佈不符。由於這種不一致，大多數科學家確信存在某種形式的暗物質。然而，隨著我們的實驗反覆未能找到最簡單的暗物質模型的證據，這種物質的形式變得越來越有爭議。由於這個原因——以及簡單的 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。它們也更接近正常物質的變化和豐富性。
對這種方法的一種批評可能是，它過於努力地維持暗物質假說。這種情況是否類似於被否定了的週轉圓理論，即 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挽救地球在宇宙中的中心位置？我們認為不是。暗物質非常出色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 假說那樣簡單。
真正的資訊是，我們面前有一個謎。我們不知道答案是什麼。在我們找到答案之前，我們必須對無數的解釋持開放態度，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，一個暗物質科學家已經將其注意力轉向天空，並對我們感到好奇？