暗物質是“冷的”還是“熱的”？

岑夫子

據估計，宇宙中占物質總質量84%以上的是一種神秘的物質，叫暗物質。由于暗物質幾乎不與普通物質發生作用，所以很難探測組成它的粒子是什么。最近幾年，天文學家捕捉暗物質粒子的結果都是“竹籃打水，一場空”。但是，即便在這種情況下，科學家也已經解決了關于暗物質是“冷”是“熱”的問題。那么，在不見實物粒子，幾乎對它的性質一無所知的情況下，他們是怎么解決這一問題的呢？

宇宙大尺度結構的發現

上世紀下半葉，宇宙學研究進入到一個前所未有的發展階段。一方面，大爆炸宇宙學逐漸成為主流，借助廣義相對論，理論學家開始建立關于宇宙演化的理論。另一方面，人們對于銀河系附近宇宙的探測還留有極大的空白。我們附近的宇宙是什么樣子，沒有人能夠說清楚。

1977年，美國哈佛-史密森天文中心的科學家計劃進行一次雄心勃勃的星系巡天，稱為CFA巡天計劃。這個項目計劃對全天2400個星系離開我們的距離進行精確測量。第一期巡天在1982年完成，觀測到的星系中最暗的是人類肉眼極限的兩千分之一。將這些星系畫在一張圖上，人們就可以粗略地畫出宇宙的一個三維“地圖”，兩個維度代表星系在天空中的位置，第三個維度則代表它們離開我們的距離。

在過去的研究中，因為不知道星系的距離，人們習慣將觀測到的星系位置畫在二維的天球坐標系中。也就是說，過去人們看到的星系，實際上只是它們在二維球面上的投影。在這樣的圖中，星系分布看起來沒有什么特別的規律，似乎分布非常均勻，這倒跟當時一個所謂的“宇宙學原理”頗為吻合。宇宙學原理說，宇宙物質從大尺度來看，應該是均勻的。CFA巡天則讓宇宙學家可以在更加真實的情況下，檢驗宇宙學原理的有效性。

結果大出乎意料。在這張粗糙的宇宙三維地圖上，星系分布就像一張不規則的漁網。它們的分布并非均勻，而是很明顯地聚集“網絲”上，“網絲”又似乎附著在“網眼”上。在幾條“網絲”相交的點上，星系尤其密集，而在“網眼”所在的巨大空洞中，星系幾乎寥寥無幾。

暗物質是“冷”還是“熱”？

如何解釋這一切呢？按照大爆炸理論，宇宙早期溫度極高，密度極大，物質分布高度均勻。現在所展現出來的網狀結構，必定是演化來的，而在宇宙這個層次上，主要是引力在起作用，所以演化又必定是由引力推動的。

那時，人們已經意識到，主導宇宙結構形成的并不是可見物質，因為這部分物質所占比例很小，有超過84%的物質都是不可見的暗物質。這意味著，宇宙的這種網狀大尺度結構，必須考慮暗物質的作用才能解釋。

在CFA巡天計劃所繪制的宇宙地圖上，星系分布就像一張不規則的漁網。

巧合的是，1970年代隨著大統一理論的建立，粒子物理學們意識到，理論上中微子是可以具有質量的。而當時的一系列實驗測量顯示，中微子的靜止質量可能在30電子伏特左右。這些測量雖然在今天看來是不可靠的，在當時卻使得中微子成為暗物質最可能的候選者。在大家眼里，雖然單個的中微子質量極小，但因為數量多得驚人，它們在宇宙物質中的“份額”占大頭，也并非不可能。由于中微子運動速度極快，幾乎接近光速，因此它被稱作“熱暗物質”。與此相對的，理論學家也提出數種“冷暗物質”的候選者。相比熱暗物質，冷暗物質粒子的質量要大得多，在宇宙早期的速度非常低。——這里的“冷”“熱”借用了熱力學上的說法，因為根據分子運動論，組成氣體的分子平均速度越大，氣體溫度就越高，反之，則越冷。

暗物質是“冷”還是“熱”，對宇宙演化的影響是不一樣的。雖然不論“冷”還是“熱”，暗物質都會在引力作用下聚集成團，但暗物質粒子運動速度越快，顯然越不容易受引力“束縛”，也就越不容易聚集，這就影響到宇宙結構的形成。

在熱暗物質主導的宇宙中，首先形成的是巨大的薄餅狀結構，緊接著的是巨大的網狀結構。薄餅狀結構在引力作用下繼續坍縮，其結構會變得不穩定，從而碎裂成更小尺度的結構，例如星系。而在冷暗物質主導的宇宙中，首先形成的是小的團塊，如星系。不同的團塊通過合并逐漸長大，最后形成大尺度的網狀結構。

概而言之，在熱暗物質主導的宇宙中，先形成“巨網”，再形成單個星系;在冷暗物質主導的宇宙中，先形成星系，再形成“巨網”。

爭論塵埃落定

哪一種暗物質模型與今天觀測到的宇宙大尺度結構更符合呢？這就需要實驗來驗證。由于宇宙的演化早已是“前塵往事”，我們只能借助電腦模擬來再現這一過程。美國哈佛-史密森天文中心的科學家們就做了這樣的模擬。

首先模擬的是熱暗物質主導的宇宙演化過程。人們本來對中微子寄予厚望，但結果大出乎意料。在這個圖景里，宇宙的網狀結構確實形成了，但在“網眼”似乎比今天觀測到的宇宙密了許多。同時，相對小尺度的結構——星系，卻又無法在模擬中生成。

接著，又模擬冷暗物質主導的宇宙演化過程。這一次，率先形成的是星系，然后是星系團，再后來，含有“網絲”和“網眼”的整個宇宙大尺度結構也出來了。模擬得到的宇宙大尺度結構，與CFA巡天所觀測到的十分相似。

這樣，“冷”“熱”暗物質誰主宇宙“沉浮”，也就一目了然了。