宇宙的五分之六是缺失的。写下这句话感觉很奇怪，我敢肯定，读起来感觉也很奇怪。考虑到宇宙的浩瀚——以及人类对其探索的微乎其微——我们怎么能确定有东西放错地方了呢？这种说法甚至显得傲慢，如果不说妄想的话。
星系团阿贝尔520的彩色复合图像。绿色代表热气体；橙色突出了星系的星光；蓝色显示了暗物质的推断位置。（图片来源：NASA、ESA、CFHT、CXO、M.J. Jee 和 A. Mahdavi）然而，科学家们已经建立了一个近乎天衣无缝的证据链，证明宇宙中大部分物质是由暗物质构成的，这是一种既内在不可见，成分上也与构成恒星和行星的熟悉原子截然不同的物质。面对巨大的困难，像麻省理工学院的Samuel Ting这样的研究人员，甚至在弄清楚暗物质是什么方面也取得了进展，正如上周耸人听闻的标题所证实的。那么，是时候接受关于我们在宇宙中地位的新现实了。以下是每个有知识的宇宙公民都应该知道的七个关键点。1. 暗物质是真实的。 暗物质的证据可以追溯到1933年，一位富有远见的瑞士天文学家Fritz Zwicky发表的一篇论文——这比埃德温·哈勃确凿证明其他星系存在还不到十年。Zwicky注意到，星系团中的星系运动速度如此之快，以至于星系团应该会分崩离析，但星系团却保持完整。他得出结论，星系团中一定散布着dunkle Materie（暗物质），提供了将一切维系在一起的额外引力。当时，Zwicky的大多数同事都认为证据过于初步，而且这个想法太古怪，无法相信。在20世纪70年代，美国天文学家Vera Rubin用更详细的相同类型的观测改变了他们的想法。她发现星系系统旋转得如此之快，以至于除非被暗物质束缚在一起——或者除非我们对引力定律的理解是错误的——否则它们应该会分崩离析。最近，天体物理学家对星系的形成方式进行了复杂的计算机模型。这些模型完美地拟合了宇宙的观测结构，但前提是它们将暗物质纳入其方程。暗物质是真实存在的。
螺旋星系M74外围区域的恒星运动速度远超预期，如果仅由可见物质维持轨道的话。最好的解释是，它们受到一个巨大的、看不见的暗物质光环的拉扯。（图片来源：Gemini Observatory/GMOS Team）另外两条证据也强烈支持暗物质的存在。一条来自对引力透镜的观测，即引力引起的光线弯曲。天文学家可以通过观察星系团如何扭曲更遥远星系的光线来粗略绘制出星系团中物质的分布图。这些图不仅证实了大量暗物质的存在，而且还表明暗物质独立于星系团中的热气体移动，这是替代引力理论难以解释的。另一条完全独立的证据来自对宇宙微波背景的研究，这是大爆炸遗留下来的辐射。该辐射在天空中的分布对早期宇宙的确切组成非常敏感。正如我最近描述的那样，观测到的模式允许非常精确地测量宇宙的构成，其中暗物质的质量是可见物质的5.5倍。这三种类型的观测不仅显示了暗物质的证据，而且显示了相同*量的*暗物质。这非常令人信服。2. 暗物质有时可能是可见的…… 这听起来与我刚才所说的话相矛盾，所以请耐心听我说。暗物质似乎不与光或任何其他形式的电磁辐射（无线电、X射线等）相互作用，但它可能可以与自身相互作用。暗物质的领先理论之一认为它由基本粒子WIMP（弱相互作用大质量粒子）组成，如果它们偶然碰撞，就会相互湮灭。在浩瀚的太空中，粒子不会经常碰撞，但偶尔不可避免地会发生。如果两个WIMP相互湮灭，它们可能会产生伽马射线形式的可见辐射；或者它们可能会产生更熟悉的粒子类型，如电子及其反物质伴侣——正电子。事实上，目前有两个基于太空的实验正在寻找这两种信号，并且都显示出太空中一些奇怪现象的有趣迹象。NASA的费米伽马射线空间望远镜已经探测到一个极其微弱但不寻常的能量为130吉电子伏特（GeV）的伽马射线“辉光”，这大约是可见光能量的600亿倍。这看起来很像暗物质粒子的衰变，但马克斯·普朗克物理学研究所的Christoph Weniger警告说，目前的证据“尽可能模糊”。来自Samuel Ting和价值20亿美元的国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS）实验的进一步线索。这正是上周引起头条新闻的那个。（《纽约时报》：“暗物质之谜的新线索！”）AMS正在从天空的各个方向探测到少量过量的正电子，这同样与暗物质的存在一致，但目前还远非定论。请继续关注更多结果；Ting表示，在他有足够的数据确定之前，“还需要几年时间”。
阿尔法磁谱仪实验（左上角）安装在国际空间站上。（图片来源：NASA/AMS）3. 暗物质可能出现在地球上。 理论上，我们一直被暗物质包围着。它此刻应该正穿过你。由于暗物质反应性很低，大多数时候它会继续穿过，没有人会察觉。但从20世纪90年代开始，一些顽固（或者说，取决于你的观点，是鲁莽）的物理学家决定尝试探测穿过的暗物质粒子。其想法是，在非常罕见的情况下，一个暗物质粒子可能会撞击一个普通物质原子，给它一个“踢”。这可能会被检测为热信号：微量热量。几个类似的实验声称已初步探测到暗物质信号。其中最著名的是来自名为DAMA的探测器的结果，DAMA是DArk MAtter（暗物质）的缩写。然而，除了核心的坚定信徒外，没有人认为这些结果具有说服力。一项名为LUX的新实验应该能澄清情况。“其灵敏度远高于以前的直接探测实验，”布朗大学的LUX首席研究员Richard Gaitskell承诺道。他希望，到LUX完成2015年的首次全面运行时，它将“是一个非常有决定性的实验”。4. 我们也许能够制造自己的暗物质。 这是雄心勃勃的大型强子对撞机（LHC）的主要目标之一：在实验室里*制造暗物质*，以便科学家们能够对其进行研究。LHC的核心概念是，粒子与其他粒子的疯狂碰撞会“震落”出各种在平静日常物理现象中不会出现的物质。本质上，LHC产生的大量能量可以自发地转化为各种粒子（质量和能量是等价的——还记得你的e=mc²吗？）。这就是LHC的物理学家（可能）发现希格斯玻色子的方式。如果WIMP的质量符合理论家的预期，LHC也应该能制造出它们。这种暗物质粒子将很难追踪，因为它们具有难以捉摸的性质。它们往往会直接飞出探测器，不被看见，因此最初会表现为LHC反应中的“丢失能量”：又一个需要追逐的阴影。尽管如此，如果WIMP真的存在，LHC的数据分析者和庞大的计算机应该能在2015年*对撞机重启*时找到它们。5. 暗物质与暗能量完全不同。 1998年，两个竞争的宇宙学家团队发现宇宙的膨胀正在加速。这种宇宙膨胀背后的力量现在被称为“暗能量”，这个词是由芝加哥大学的Michael Turner创造的，作为对暗物质的刻意（尽管有时令人困惑）的呼应。它们都是“暗”的，因为它们是看不见的，并且都“暗”在它们是神秘的意义上。但暗物质似乎由某种粒子组成，并产生一种将物体拉在一起的引力：它将星系和星系团粘合在一起，并且可能提供了使这些结构得以形成的额外吸引力。另一方面，暗能量的理解甚至更少，但它似乎是嵌入在空间结构本身的能量形式，并且它在极长的距离上产生一种排斥力——几乎像反引力。为了增加混乱，暗能量具有等效质量（如果你之前没记住你的e=mc²，现在试试记住它），当你计算所有这些质量时，暗能量是宇宙的主导成分。
6. 暗物质*真的*占主导地位。
根据普朗克天文台的最新观测，宇宙由68.3%的暗能量、26.8%的暗物质和4.9%的普通物质组成。换个角度看：宇宙的95%以上是黑暗且基本不可观测的，宇宙的大部分不是由物质构成，而构成物质的绝大多数也不是由构成你我的原子构成的。感觉渺小了吗？7. 黑暗的宇宙可能有自己的生命。 几年前，斯坦福大学的Savas Dimopoulos推测，暗物质可以形成暗原子，产生它们自己的暗化学。纽约大学的Neal Weiner讨论了一个思想实验：一个由暗物质组成的假设科学家如何能够找到可见宇宙（当然，这对他或她来说是不可见的）。答案是：这并不容易。就在最近，由JiJi Fan和Lisa Randall领导的一组哈佛大学物理学家理论认为，一些暗物质可能能够像普通氢气一样冷却和坍缩，从而导致了暗星系、甚至暗恒星和暗行星的可能性。现在没人知道。也许这些想法只是幻想，但它们是与我们目前对宇宙运作方式的理解相符的幻想。事实上，它们得到了一些当前最佳观测的支持。哈佛大学的天体物理学家Douglas Finkbeiner巧妙地总结了这类研究的奇妙和不确定性：“我们都应该躺在床上睡不着觉，思考暗物质究竟是什么。”*在Twitter上关注我*：@coreyspowell
