暗物质如何让星系在早期快速的形成？而我们的存在也得益于暗物质

暗物质是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质。

暗物质在宇宙的中的存在，不仅为当今的星系、星系团提供了额外的引力作用，它还在宇宙的早期为小尺度和大尺度上物质结构的形成提供了帮助，也得以让宇宙形成更多的星系，当然也包括我们的银河系。今天我们就说下：暗物质是如何在星系结构形成时发挥作用的？而我们的存在也得益于暗物质可以让早期的物质结构快速的形成。

气体云中的分子和原子在星光的加热下，发射出不同波长的光线。

我们已经掌握的普通物质的性质中有这样一条：它会与光子发生相互作用，如吸收、释放光子，或与光子撞击。这条性质对许多科研课题的作用奇大，如：

• 激发一种元素的原子，观察它发出的光的波长，从而测定其光谱。

• 观察通过一片气体云的光线在哪些频率上被吸收，从而确定其中存在哪些元素。

• 通过测量气体云中被激发的原子释放出的X射线，可以侦测两块气体云的高速碰撞。

• 它使得相对较热的系统能把热量和动能传递给相邻的且相对较冷的系统。

只要回溯到宇宙的最初岁月，就能发现在那个万物都更加炽热、致密的时候，物质与光子互动的性质拥有一种难以预料的惊人作用。

详细看一下，宇宙诞生时在某些过重的区域，也就是空间中那些物质和能量的密度略高于平均密度的区域。这类过重区域在各种尺度层次上都存在，其大小从纳米级到米级、千米级、光年级甚至百万或十亿光年级的都有。

如果假定只有不移动的（或移动很慢的）、低温的物质，那么最先形成的应该是最小尺度的过重区域，这种区域会在引力作用下生长为更大的区域。由于引力和其他所有事物一样都受限于光速，所以形成最大尺度的过重区域需要花掉相当长的时间。这个思路看上去不无道理，它将推出单颗恒星先于星系出现，而单个星系先于星系团出现的结论。

但如果把辐射也考虑进去，情况就不一样了。我们的物质将被投入一片光子之海，由此发生与之有关的相互作用。不论过重区域在什么时候出现，来自光子的压力都会随之增加，这自动导致下面两件事的发生：

• 光子会推开物质，减弱其过度聚集的倾向，使过重区域内的物质密度向着平均水平回归；

• 光子自身流出过重区域，会使区域内的能量密度向着平均水平回归。

简单说来，在一个有着更多以辐射形式存在的能量的年轻宇宙中，其小尺度的过重区域会逐渐消失掉，物质会趋于均匀。（上图）该现象应该能以两种不同的方式显示其存在。第一，当我们观看仅有38万年历史的年轻宇宙留下的微波背景辐射时，应该能从其波动图形中发现一系列特别的效果。

在最大的尺度上，也就是在那种受光速所限而使引力作用还不能在38万年内到达的距离上，会出现切实具有“尺度不变性”的波动。由于光子来不及推开这种最大尺度上的过密物质，也来不及从这种最大尺度的过重区域中流出，我们在最大尺度上不会发现所谓特别的效果。

在比这稍小的尺度上，应该能发现引力把物质拉进过重区域的程度有—“峰值”，但还来不及让这个“峰值”本身上升到其上限，光子也还没有足够时间从中流出。观察的尺度越小，就应该看到这种分布上的波动衰弱得越明显，其图像的峰谷幅度也缩小得越来越快。当然，这些推理的前提是宇宙仅由普通的物质和普通的辐射组成。

假如在普通物质之外还有一种未知的新物质，它不与辐射发生相互作用，那么它就可以切实提升上述的后来那些峰值，将波动频谱上的这些细节从近乎零的水平增强到显著的、可以被测量的程度。这种暗物质虽然不能跟辐射有相互作用，但只要它存在，当前就应该可以通过宇宙的小尺度结构观测到，而且它也会在早期的微波背景辐射的波动中露出踪迹。

当前的技术水平能让微波背景辐射分布的测量精度达到0.07°。虽然我们在其频谱中确实发现了这些波动特征，但波形曲线中的那些下降段落的幅度远远小于假定只有普通物质和能量存在的情况。同时，峰值多了不少，如果认为宇宙中只有普通物质和能量，那么这些峰值就不应该出现。

所以这个分析结果证实了宇宙中的能量还有一个此前没能确认的部分：这是一种不会像质子、中子和电子那样被光子推挤开的物质类型。而结合其他一些具体的证据，更是会得出一个令人疑惑的数字：物质中有80% ～ 85% 都属于某种类型的暗物质。这与“标准模型”的推断相比真是天差地别。

除此之外，还有一个更要令人诧异的现象：不仅是初始的小尺度波动受到了物质和辐射互动的影响，宇宙的大尺度结构随着时间的推移也在剧烈地变动着！特别值得一说的是，如果假定常规的物质和辐射是宇宙的主角，则最小尺度上的宇宙结构不可能存在。辐射保持着足够的热量及其压力的阶段将不只是数十万年，而是会变长数百万倍，让星系和星团在那么长的时间里都无法形成。

利用像哈勃望远镜这样的超级强力的工具，结合放大效应和引力透镜效果，我们得以详细探查了这些遥远事物，并且从中发现，小型的、暗弱的星系其实在宇宙很早的阶段就存在了。

除了小尺度上的问题之外，一个只由物质和辐射组成的宇宙，即使是在哪怕稍微大一点的尺度上，其结构都会呈现出明显的被压制倾向，不会允许星系们各自聚成许多个星系团。假使没有一种新的暗物质，我们的宇宙中会出现一个非常巨大的星系团，而成员星系较少的小星系团则几乎不可能存在，更不会有规模很小的星系（可事实上，银河系所在的星系团的成员就不多）。这些特征被称为密度平滑（密度涨落消失）或者重子声学震荡（BAO）等，它们都源于普通物质与光子的相互作用。

面对理论与现实的这一落差，我们依然只能猜想在普通物质之外还有某种新的暗物质，后者戏剧性地改写了宇宙的演化史。我们所做的最大尺度上的宇宙结构巡天，可以极为精确地分辨和鉴别上述可能性。

总结：我们的存在也得益于暗物质

我们不仅可以回溯宇宙的初生期，还可以使用计算机去模拟星系、星系团和更大尺度的宇宙结构的形成过程。我们能够假定许多种不同的暗物质，以及它们数量占比的许多种不同情况（当然也包括占比为零的情况），然后分别重建宇宙的历史，将其与观察事实进行比对，在各种尺度上，我们都能得到严谨的细节。

通过充分的模拟，我们发现：一个不含暗物质的宇宙模型，与我们实际看到的宇宙是迥异的，而且二者的差异不可调和。如果宇宙中的物质都只是重子而已，则其密度震荡的幅度要远远大于观测事实，而小尺度上的能量总量（意思等于星系的总数）会明显小于我们实际所见，同时，大尺度结构的不少细节也未与事实吻合。

但只要把暗物质加入这个模型，并将暗物质数量设定为普通物质的5倍，理论模拟的结果就会和观察事实吻合得很好了。就此而言，只要在理论中加入适量的暗物质，各种疑问似乎都会迎刃而解。

因此暗物质的存在不仅可以让宇宙在小尺度上形成更多的星系，而且也让早期的结构能快速的形成，并且也改变了众多星系的结合方式。换言之，我们的存在也得以与暗物质的存在。