暗宇宙之谜：主宰当前宇宙的暗物质和暗能量是什么？

“宇宙由什么构成” 是当前国际上125个最具挑战性的科学问题之一。根据最新的天文观测，当前宇宙约 96% 的能量组分来自“两暗”，即暗物质 (约23%) 与暗能量 (约73%)。“两暗”主宰着当前的宇宙，然而其本质至今尚未被揭示。正如其名，“两暗”宛如两朵巨大乌云，笼罩着21世纪物理学的天空。

暗物质之谜

1884年，英国科学家开尔文勋爵 (即威廉·汤姆森，热力学之父) 试图利用银河系中恒星的运动速度来估算银河系质量。他惊奇地发现，如此计算得出的银河系质量不同于可见的恒星质量之和。他由此推断，银河系中存在大量不发光的“暗体”。1906年，法国数学大师庞加莱在讨论开尔文的工作时，首次使用了“暗物质”一词。1933年，瑞士天文学家兹威基，在推算星系团平均质量时，发现星系质量与观测亮度相差近200倍，因此推测星系团里的绝大部分物质可能是暗物质。

上世纪70年代，美国天文学家薇拉·鲁宾精确测定了大量星系的旋转曲线，即星系不同半径处恒星的运动速度。她发现，此测量结果与牛顿力学预言有很大差异，并首次定量的指出，大多数星系内存在约6倍于可见物质的暗物质。自此，暗物质的存在被天文学家广泛接受。

暗物质虽不发光，但受到引力作用，因此科学家可以通过引力效应来探测其空间分布。最常用的手段是利用类似海市蜃楼的“引力透镜”效应。根据广义相对论，光线在引力场中传播时会发生偏折，而偏折程度可以被用来反推由暗物质引起的引力场，从而间接捕捉暗物质的踪迹。2021年5月，“暗能量巡天” (DES) 国际合作组利用引力透镜效应，成功得到了迄今为止最大规模、分辨率最高的暗物质空间分布天图 (见图1)。

图 1. DES巡天得到的目前最大、分辨率最高的暗物质分布天图。来源：N Jeffrey/DES巡天合作组

尽管这些利用引力效应重建出的“暗物质天图”可以让我们“看见”暗物质，但这距离揭示暗物质本质还相距甚远。暗物质到底是什么？我们能否直接探测到暗物质粒子，而不是仅仅通过其引力效应？

暗物质概念被提出以来，人们建立了多种假说以解释这种神秘的物质，比如冷暗物质，温暗物质等。其中一种观点认为，暗物质粒子是一种弱相互作用带质量粒子 (WIMPs)。此粒子质量相对较重，在宇宙中产生时速度较小，因此被称为冷暗物质粒子。由于WIMPs只参与弱相互作用，直接探测的方式是通过测量暗物质粒子与普通物质相互碰撞后，靶核的反冲能量、方向、数量及其随时间变化等参数和特性来研究暗物质粒子的基本性质。由于此信号极其微弱，且极易受到宇宙线污染，科学家不得不在极深的地下实验室建立充满液氙，高纯锗等物质的探测器，等待暗物质粒子的光临。此类实验包括国际上的XENON, DarkSide，以及部署在我国四川锦屏山地下2400米的“熊猫”(PandaX) 暗物质探测计划等。

暗物质粒子原则上也可被间接探测。 其原理是通过探测暗物质粒子自身衰变或者相互碰撞后湮灭的产物 (比如伽马射线，正负电子等)，来研究暗物质的性质。此类实验通常在空间卫星上进行，比如我国的“悟空”暗物质卫星，欧洲的AMS-02卫星项目等。

尽管目前的暗物质直接和间接探测实验还未捕捉到暗物质粒子，不过随着新探测方法的建立和探测技术的快速发展，相信暗物质粒子将在不久的将来被捕获。

暗能量之谜

1998年，三位科学家通过对一类被称为超新星的天体的观测，惊奇的发现，今天的宇宙时空不仅在膨胀，而且是在加速膨胀。此发现让天文学家大为意外，因为根据爱因斯坦建立的广义相对论，一个由物质构成的宇宙只能减速膨胀，而无法加速。宇宙的加速膨胀意味着当前宇宙中可能充满着一种未知的“暗能量”组分，其作用等效一种斥力。此重大科学发现2011年被授予诺贝尔物理学奖。

图 2. 暗能量状态方程随时间的演化历史。来源：Zhao et al, Nature Astromony (2017).

最早的暗能量模型应追溯到爱因斯坦时代。1917年，爱因斯坦发表了一篇论文，“创新”地在他的爱因斯坦方程右边加入了一个“宇宙学常数”项。此项来自真空能的贡献，等效一种斥力作用。实际上，爱因斯坦的这波操作是为了在宇宙学尺度抵消引力，以获得一个静态的宇宙。1929年，英国天文学家哈勃发现了宇宙时空的膨胀现象，这让爱因斯坦懊悔不已，以至于对他的好友伽莫夫说到：“引入宇宙学常数是我一生中犯的最大错误”。然而，爱因斯坦的这个“误操作”却无意中解释了1998年的天文观测：一个本来膨胀的宇宙加上斥力的作用必定加速膨胀！

尽管爱因斯坦当年的误打误撞可以在一定程度上解释1998年的观测，但暗能量真的是真空能吗？研究发现，真空能暗能量模型存在着理论不自恰的缺陷，其预言与最新观测也有一定的偏差。上世纪80年代开始，皮布尔斯 (2019年诺贝尔物理奖得主) 等人开始尝试建立动力学暗能量模型。他们认为，暗能量作为一种未知的能量场，应具有动力学性质，即其能量密度、压强等物理量随时间演化。

图3. 基于SDSS巡天20年观测得到的宇宙膨胀历史示意图。来源：SDSS合作组

测量暗能量状态方程，即暗能量压强与密度的比值，是研究暗能量属性的重要手段。但由于暗能量密度极低，传统直接探测手段无法适用。在宇宙学研究中，科学家通常需要结合多种手段，比如超新星观测，海量星系的三维空间分布，宇宙微波背景辐射天图，引力透镜等，来重建暗能量随时间的演化历史。图3 显示SDSS星系巡天国际合作组（近10年来国际最大规模星系光谱巡天）利用200余万颗星系的三维成团性特征得到的宇宙膨胀历史示意图。该结果中包含重要的暗能量信息。

2017年，暗能量的动力学属性在3.5个标准差水平被SDSS BOSS星系巡天观测证认，这意味着暗能量很可能不是真空能。当然，暗能量的动力学属性还需要进一步证认。未来5-10年内，更大规模的星系巡天项目，如DESI, PFS，中国空间站巡天望远镜等将在更高精度重建宇宙的时空膨胀历史，进而证认暗能量的动力学属性，揭示其本质。