暗物质引言

贡献者： 周思益

　　 在过去的世纪里，我们理解了日常物质的结构。量子力学和相对论教会我们，我们观察到的 “物质” 的本质常常与我们的直觉不同。这是否意味着物质的科学探索已经结束了呢？还没有。宇宙中还有更多的物质有待理解，这就是被称为暗物质的东西。我们对物质的探索从地球转向了太空。暗物质的存在已经通过从星系到宇宙学尺度的观测得到了证实。然而，这些观测只探测到了暗物质的引力耦合-总质量和其空间分布。为了真正理解暗物质是什么，我们还需要观察它与普通物质的其他可能的相互作用。因此，暗物质领域吸引了大量的关注：目前大约 10%的宇宙学、天体物理学和粒子物理学的论文提到了 “暗物质”。

　　 来自暗物质的证据来自天文尺度，从小于千帕秒（小星系的典型大小）到整个可观测宇宙的大小。人们通常关注三个主要的证据：螺旋星系的观测、星系团的观测以及宇宙微波背景（CMB）和宇宙大尺度结构在宇宙学尺度上的观测。这些观测可以一致地解释为具有以下基本属性的暗物质。

　　 所有这些证据都涉及到暗物质的引力效应。目前还没有基于暗物质其他效应（例如，不是由于引力相互作用）的证据。一个自然的替代方案是考虑修改引力，以解释通常归因于暗物质的现象。我们将讨论限制在标准假设上；即暗物质是由未发现的物质粒子组成的，无论是新的基本粒子还是新的宏观物体。

　　 当前宇宙平均暗物质密度通常以参数组合 $\Omega_{DM}h^2$ 表示，其中 $\Omega_i = \rho_i/\rho_{cr}$ 是相对于临界密度 $\rho_{cr} = 3H2/8\pi G$ 的密度，$G$ 是牛顿常数，现在的哈勃参数写为 $H_0 = h \times 100 km/s \cdot Mpc$，其中 $h = 0.674 \pm 0.005$。当前最好的确定值是：

　　 这可以转换为 $\Omega_{DM} = 0.264 \pm 0.003$，即暗物质占当前宇宙总物质-能量内容的约 26.4%。由于正常重子物质的密度测量值为 $\Omega_b h^2 = 0.02237 \pm 0.00015$，或 4.9%，暗物质占总物质内容的约 84%。此外，当前宇宙中的平均暗物质密度约为 $\rho_{DM} \simeq 1.26 keV/ cm^3$。

　　 天体物理和宇宙学观测对暗物质一般属性的认定：数据可以认定暗物质是一种冷的、非相互作用的、稳定的物质，具有绝热非均匀性。

　　 物质：强调暗物质在宇宙演化中表现为物质，即其密度随着体积的倒数而减少。在技术术语中，其状态方程参数是 $w = 0$。这与暗能量形成对比，据我们所知，暗能量的密度在宇宙膨胀时不会显著稀释。 冷：意味着暗物质在物质-辐射平等的关键时期表现为非相对论性流体，结构形成开始时，以及随后的星系形成期间。暗物质粒子移动得 “慢”，因此它们相互吸引并聚集。如果它们移动得 “快”，聚集就不会有效，结构就不会形成和增长。聚集过程确实会使暗物质流体重新加热，因为其组成粒子在坍缩成束缚结构后获得了动能。然而，这还不足以使暗物质相对论化，并且使暗物质的一般冷性失效，除非在极端环境中，例如在紧凑物体周围。

　　 非相互作用（或等价地，无碰撞）意味着暗物质与自身或与普通物质（除了暗物质肯定拥有的引力相互作用之外）的相互作用足够小，可以忽略不计。这区分了暗物质和普通物质。与普通物质有显著的相互作用不同，特别是电磁相互作用，暗物质没有。这就是暗物质之所以被称为 “暗” 的原因——缺乏与光的相互作用使暗物质变暗。

　　 稳定意味着暗物质自宇宙早期阶段以来就存在，并且直到现在（宇宙当前的年龄约为 $t_{Uni} \simeq 13.8 Gyr = 4.35 \times 10^{17} s$）都没有消失。根据暗物质的性质，这将转化为对暗物质粒子（如果由不稳定粒子组成）的衰变寿命或黑洞（如果受到霍金辐射影响）的蒸发率等的定量限制。

　　 绝热意味着在宇宙尺度上，宇宙流体的组成在任何地方都是相同的。暗物质具有与其他组分相同的原始密度非均匀性：暗物质在普通物质和光子密度更高的地方更密集。这发生在所有非均匀性由单一机制产生的情况下。这种机制被认为是宇宙膨胀期间单一膨胀场的量子涨落。所有组分似乎都有一个高斯和准尺度不变的原始涨落谱。