宇宙学的最大谜团！有超过90%的世界都是暗物质和暗能量，但，它们究竟是什麽？──《大人的宇宙学教室：透过微中子与重力波解密宇宙起源》

观测星系时，科学家发现了「看不见的物质」

我们现在所看到的人类、太阳、星系以及星系群等等，所有东西都是由物质构成。「物质构成了宇宙的全部」这个概念长年以来深植於人类心中。

不过，後来我们了解到，宇宙中存在着许多我们人类看不到的物质，那就是「暗物质（dark matter）」。这个名称听起来很像科幻作品中的虚构物质，却实际存在於宇宙中，而且暗物质在宇宙中的含量，远多於我们看得到的「物质」。

1934 年，瑞士的天文学家兹威基（Fritz Zwicky，1898～1974）观测「后发座星系团」时，发现周围星系的旋转速度所对应的中心质量，与透过光学观测结果推算的中心质量不符。

周围星系的转速明显过快，推测存在 400 倍以上的重力缺损（missing mass）。

在这之後，美国天文学家鲁宾（Vera Rubin，1928～2016）於 1970 年代观测仙女座星系时，发现周围与中心部分的旋转速度几乎没什麽差别，并推论仙女座的真正质量，是以光学观测结果推算出之质量的 10 倍左右。

到了 1986 年，科学家们观测到了宇宙中的大规模结构，发现星系的分布就像是泡泡般的结构。若要形成这种结构，仅靠观测到的质量是不够的。

为了补充质量的不足，科学家们假设宇宙中存在「看不见的物质＝暗物质」。

看不到却存在？暗物质究竟是什麽？

前面提到我们看不见暗物质，而且不只用可见光看不到，就连用无线电波、X 射线也不行，任何电磁波都无法检测出这种物质（它们不带电荷，交互作用极其微弱）。

因为用肉眼、X 射线，或者其他方法都看不到它们，所以称其为「暗」物质。

不过，从星系的运动看来，可以确定「那里确实存在眼见所及之上的重力（质量）」。这就是由暗物质造成的重力。

延伸阅读：暗物质比先前认为的还要「暗」

看不到的能量：暗能量

事实上，科学家们也逐渐了解到，宇宙中除了暗物质之外，还存在「看不见的能量」。

原本科学家们认为，宇宙膨胀速度应该会愈来愈慢才对，不过，1998 年观测 Ⅰa 型超新星（可精确估计距离）时，发现宇宙的膨胀正在加速中。这个结果证明宇宙充满了我们看不到的能量「暗能量（dark energy）」。而且，暗能量的量应该比暗物质还要更多。

我们过去所知道的「物质」，以及暗物质、暗能量在宇宙中的估计比例，如下图所示。这项估计是基於 WMAP 卫星（美国）於 2003 年起观测的宇宙微波背景辐射（CMB），计算出来的结果。

後来，普朗克卫星^＊（欧洲太空总署）於 2013 年起开始观测宇宙，并发表了更为精准的数值。

什麽是「普朗克卫星」？

_{欧洲太空总署（ESA）为了观测距离我们 138 亿光年的宇宙微波背景辐射（CMB）而发射至宇宙的观测装置（人造卫星）。可与 NASA 发射，广视角、低感度的 WMAP 卫星互相对照。由 WMAP 卫星制成的 CMB 地图，计算出宇宙年龄应为 137 亿年左右，误差在正负 2 亿年内；普朗克卫星则制作出了更为详细的 CMB 地图，并以此推论出宇宙年龄应为 138 亿年左右，误差在正负 6000 万年内，数字更为精准。}

欧洲太空总署（ESA）为了观测距离我们 138 亿光年的宇宙微波背景辐射（CMB）而发射至宇宙的观测装置（人造卫星）。可与 NASA 发射，广视角、低感度的 WMAP 卫星互相对照。由 WMAP 卫星制成的 CMB 地图，计算出宇宙年龄应为 137 亿年左右，误差在正负 2 亿年内；普朗克卫星则制作出了更为详细的 CMB 地图，并以此推论出宇宙年龄应为 138 亿年左右，误差在正负 6000 万年内，数字更为精准。

暗物质的真面目，究竟是什麽？微中子吗？

既然暗物质有质量，那会不会是由某种基本粒子构成的呢？也有人认为暗物质是在宇宙初期诞生的迷你黑洞（原始黑洞），而我也致力於这些研究，不过相关说明不在此赘述。

已知的基本粒子（共 17 种）以及其他未知粒子，都有可能是暗物质，在这些粒子当中最被看好的是微中子。

因为暗物质不带电荷，不与其他物质产生交互作用，会轻易穿过其他物质。这些暗物质的特徵与微中子几乎相同。而且，宇宙中也确实充满了微中子。因此，微中子很可能是暗物质的真面目。

不过，目前的物理学得出的结论却是「微中子不可能是暗物质的主要成分」。

为什麽微中子被撇除了呢？

这是因为，虽然微中子大量存在於宇宙中，质量却太轻了。虽然科学家们现在还不确定微中子的精准质量是多少，不过依照目前的宇宙论，3 个世代的微中子总质量上限应为 0.3eV。如果暗物质是微中子，那麽 3 个世代的微中子总质量应高达 9eV 才对，两者相差过大。

另一方面，暗物质中的冷暗物质（cold dark matter）的速度应该会非常慢才对。

宇宙暴胀时期会产生密度的扰动，进而产生暗物质的扰动（空间的扰动应与观测到的 CMB 扰动相同），这种微妙的重力偏差，会让周围的暗物质聚集，提升重力，进一步吸引更多原子聚集，最後形成我们现在看到的星系。

相较於此，微中子过轻（属於热暗物质，hot dark matter），会以高速飞行。微中子无法固定在一处，这样就无法聚集起周围的原子，自然也无法形成星系。

热暗物质、冷暗物质

这里要介绍的是热暗物质与冷暗物质。所谓的「热暗物质」，指的是由像微中子那样「以接近光速的速度飞行」的粒子组成暗物质的形式。

宇宙微波背景辐射（CMB）可显示出宇宙初期的温度起伏，因而得知存在相当微小，却十分明显的扰动，此扰动与暗物质的扰动相同。扰动中，物质会往较浓的部分聚集，并形成星系或星系团等大规模结构。

不过，如同我们前面提到的，科学家们认为以接近光速的速度运动的微中子，在程度那麽微弱的宇宙初期扰动下，很难形成现今的星系团。

於是，科学家们假设宇宙中还存在着速度非常慢的未知粒子「冷暗物质」。

冷暗物质的候选者包括「超对称粒子（SUSY 粒子）」当中光的超伴子——超中性子（neutralino）、名为轴子（axion）的假设粒子；另外，也有人认为原始黑洞可能是「冷暗物质的候选者」，虽然黑洞并不是基本粒子。

在讨论暗物质时，即使不假设这些未知粒子的存在，在标准模型的范围内，微中子也是呼声很高的候选者。

如同在讨论热暗物质时提到的，当我们认为微中子应该不是主要暗物质时，就表示基本粒子物理学需要一个超越标准理论的新理论，这点十分重要。

那麽，微中子真的完全不可能是暗物质吗？

倒也并非如此。如果存在右旋的微中子，由於我们还不晓得它的质量以及存在量，所以「微中子是暗物质」的可能性还没完全消失。不过，这样就必须引入超越标准理论的理论才行。

在目前只有发现左旋、符合标准理论的微中子的情况下，一切都还未知。关於这点，我们将在《大人的宇宙学教室：透过微中子与重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 节详细说明。

——本文摘自《大人的宇宙学教室：透过微中子与重力波解密宇宙起源》，2022 年 6 月，台湾东贩，未经同意请勿转载。