暗物质到底有多冷
冯磊
夜幕降临时，满天的繁星足以让人们感叹宇宙的浩瀚。事实上，你能看到的恒星只是银河系中的一部分，即便把银河系外所有星系（哈勃的观测揭示了宇宙大约存在1000亿个星系，但这一估计值可能还会成倍增加）的质量都算上，可能还不到宇宙质量的5%。天文学的观测表明，剩下约95%由看不见的暗物质和暗能量组成。
尽管大量的天文观测证据表明暗物质的存在，但这需要一个前提，或者说假设，即认为万有引力定律（或者是推广万有引力定律的广义相对论）和牛顿运动定律在所有情况下均成立。在太阳系内现有的引力理论和运动定律都经历了非常严格的检验。由于在星系以及更大的尺度上，我们还没有很充分的检验（有一些检验结果也都支持广义相对论），因此并不能想当然地认为这些规律仍然成立。于是便有人提议修正引力定律或者运动定律来替代暗物质。
是确认暗物质还是该修正引力
先说修正牛顿动力学（Modified Newtonian Dynamics，简称MOND），由莫德亥·米尔格罗在1983年提出。米尔格罗提出该模型的初衷是为了解释星系的旋转曲线。米尔格罗指出，如果在加速度很小的时候（比如在星系外围区域的恒星所感受到的），牛顿第二定律F=ma逐渐过渡到F=ma2/a0这样的形式，那么该理论计算出的旋转曲线就与观测结果很相符了。MOND理论可以有两种解释：其中一种是指修正牛顿动力学，但这种解释产生的问题比较大，因为这不仅仅意味着作用于引力相关的现象，在其他的力，例如电磁力中物体的运动规律也会发生变化；另一种等价的解释方式是在加速度很小的时候，平方反比的萬有引力大小需要做出相应的修改，这种解释便只适用于引力。因此一般人们也将MOND理论归入修正引力的理论之列。在很长一段时间内，MOND理论和暗物质模型一起构成了解释旋转曲线的主流模型，直到子弹头星系团的出现情况才发生改变。
对子弹头星系团的观测基于强引力透镜效应。我们知道，物质会弯曲其周围的时空，光子在弯曲时空中穿梭时的路径也是弯曲的。物质质量越大，光线弯曲得越厉害，跟光线穿过凸透镜时的折射效应类似（见图1）。根据光偏折角的大小，可以推算出光所穿过区域的物质质量。图3就展示了一个子弹头星系团的观测结果。其中蓝色区域是根据引力透镜效应重建处的宇宙在该区域的物质分布，红色区域是X射线观测的结果，代表的是普通热气体的分布。从图3中我们能够看出，该区域物质集中区域（蓝色区域）内并没有普通物质的存在。这表明该区域存在大量不发光的暗物质。子弹头星系团这一始料未及的观测结果出来之后，要用修改引力的方法来解释就非常困难了，甚至可以说无法做到。目前看来，暗物质是解释绝大多数天文观测的最好选择，修改引力的理论往往难以多方兼顾，通常只能解释个别现象。
此外，暗物质模型还有各种修正引力理论不具备的优点，它们可以让星系的形成更容易。我们发现微波背景时期光子的温度涨落是平均温度的十万分之一，如果只有普通物质的话，通过如此小的原初涨落是无法形成今天观测到的宇宙面貌的。形成今天的星系结构所需的原初涨落至少要千分之一。暗物质的存在就可以解释这一切了。因为暗物质相互作用很弱，它们很早就和别的物质撇清关系，独自演化了。暗物质自身的密度涨落很早就开始增长，等到产生微波背景辐射的时期，暗物质已经形成较显著的密度涨落了。随着宇宙的膨胀，宇宙温度降低。粒子依照相互作用的强弱，依次从平衡状态脱离出来，几乎不再和其他粒子碰撞，变成一种独自在宇宙中游弋的状态，这个过程称为“退耦”。而普通物质退耦后，可以直接掉进暗物质密度涨落所形成的引力势阱里，伴随暗物质一块演化，最终形成我们现在看到的星系结构。可以说暗物质让普通物质结构的形成搭了便车，没有暗物质，那么很可能就没有银河系和太阳系，也便没有你我。
冷暗物质、热暗物质还是温暗物质
暗物质按照其退耦时的运动速度来分，可以分为三类：冷暗物质、温暗物质和热暗物质，相应的速度由慢变快。宇宙的早期就像是一锅高温等离子体“汤”，各种粒子处在热平衡状态。退耦时，如果暗物质粒子的速度非常慢，远慢于光速，那么它就是冷暗物质。如果暗物质粒子速度接近光速，那么它就是热暗物质。而介于两者之间的是温暗物质。
冷暗物质、温暗物质和热暗物质主要影响宇宙大尺度结构形成的行为。宇宙早期处于热平衡状态，但是由于量子涨落的影响，仍然存在密度涨落。这些密度涨落随着宇宙的演化，最终形成了我们现在看到的宇宙的大尺度结构。冷暗物质速度很慢，容易在引力作用下坍缩形成结构。受涨落的影响，密度大的区域引力也相对较强。这些区域就像滚雪球一样，吸积周围的物质。小的结构还会相互碰撞而合并，形成更大质量的结构。所以在冷暗物质框架下，宇宙的结构是由小到大的次序形成的。
热暗物质粒子速度非常快，任何由涨落导致的小结构都会被轻易抹掉。所以热暗物质与冷暗物质的结构形成过程正好相反，先形成大尺度的结构，然后大尺度结构会碎裂形成小尺度结构。温暗物质的情况则介于两者之间，在大尺度上与冷暗物质类似，在小尺度上接近热暗物质。据研究者观测发现，宇宙早期最先形成的是恒星，然后是星系、星系团，最后是超星系团。这表明宇宙的结构形成过程是先小尺度结构，再大尺度结构。也就是说，宇宙暗物质的主要组成部分应该是冷暗物质。不过目前并不能排除温暗物质模型。下面我们主要介绍冷暗物质模型。
冷暗物质模型是最流行，也是研究最多的暗物质模型。在冷暗物质模型下又有好几种表现形式。本文重点介绍其中两种：
第一种是大质量弱相互作用粒子（WIMP），顾名思义，这种模型的暗物质粒子质量很大，是质子质量的数倍到数千倍。但是暗物质粒子的相互作用却非常弱，为弱相互作用量级。这样的模型优点是恰好能够给出正确的宇宙暗物质密度，这种性质被称作“WIMP奇迹”。现有的暗物质实验很多都是针对WIMP来设计建造的，大体可以分为三类：直接探测、间接探测和对撞机探测。尽管有的实验宣称发现了暗物质的疑似信号（如DAMA直接探测实验），但是没有获得别的实验证实。
第二种冷暗物质模型是轴子模型。轴子是为了解决量子色动力的强CP问题而引入的新粒子。但现有的核物理和天体物理实验已经对该类模型给出了非常强的限制。于是人们提出了推广轴子模型的类轴子粒子，这是一类和轴子具有相似相互作用的粒子，但是模型具有更多的自由度，因此受到的实验限制相对较弱。轴子和类轴子粒子质量非常小，与其他粒子的相互作用也非常弱，是冷暗物质的可能候选体。轴子（类轴子）可以在电磁场中和光子相互转化，形成一种独特的轴子-光子振荡现象，在光子的能谱上就表现为能谱的振荡行为。所以光子能量分辨率越好，就越有利于寻找轴子（类轴子）粒子。像“悟空”号卫星能量分辨率非常高，因此在寻找轴子和类轴子粒子方面具有很大的优势。轴子和类轴子粒子也可以在地面实验室进行探测，探测的原理仍然是光子-轴子转化现象。我们若在密闭的实验室中加上很强的磁场，那么宇宙中的轴子在穿过实验室的时候，就有一定的几率变成光子，这些光子可被实验室内的探测器所测量。
综上所述，暗物质模型具有修改引力模型所不具备的优势，因此暗物质的搜寻也成为了当下许多国家的研究热点，地面和空间实验室都在紧锣密鼓地寻找暗物质的蛛丝马迹。我国的暗物质研究已走在了国际先进行列，开展的实验有“悟空”号卫星实验、锦屏地下实验室的PandaX和CDEX等。也许我们很快就能搞清楚暗物质究竟是什么样的粒子。当然我们的努力也可能都是在为后人发现暗物质铺路，而发现暗物质的人也许就在本文的阅读者当中。
势阱：指的是一个包围着局部最小势能的区域。
轴子：是粒子物理学及天文学宇宙模型中假想的暗物质构成粒子之一。
强CP问题：理论上，CP破坏是可以发生在强相互作用的，但目前在实验中还未发现任何CP破坏的证据。在强相互作用的方程中，有一个角度θ（代表了CP破坏的量）可以取任何值。但是θ的值非常小，甚至有可能为零，表明CP对称有可能在强相互作用中守恒。