暗物质到底有多冷

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。

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。

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