在宇宙学中，暗物质是指不与电磁力产生作用的物质，不会吸收、反射或发出光，不可能是由光构成的。有人会问，为什么会是这是的？

图示：根据模型和模拟，所有星系都应该嵌入暗物质晕中，其密度在星系中心达到峰值。在足够长的时间尺度上，可能是10亿年，来自光晕外围的单个暗物质粒子将完成一个轨道。但是，除了暗物质之外，必须始终考虑“质量缺失”问题的替代解决方案，并与观测数据进行比较。

“暗物质问题”是宇宙中最大的谜团之一。从所观察到的物体中，我们认知有多少光来自它们。根据我们对天体物理学的认知——恒星是如何工作的，气体、尘埃、行星、等离子体、黑洞等是如何分布的，以及我们在整个电磁光谱中可以观察到的，我们可以推断出有多少是基于原子的物质。从万有引力中，我们还知道星系和星系团等物体中必须存在多少总质量。最初，这种不匹配被称为“质量缺失”问题，因为引力显然存在，但问题是还缺少了什么。

图示：像银河系这样的螺旋星系如右图所示旋转，而不是左图，表明存在暗物质。不仅所有的星系，星系团甚至大规模的宇宙网络都需要暗物质在宇宙的早期就处于冷态和引力状态。

第一个证据表明，需要比“正常物质”更多的东西来解释我们所看到的东西，这可以追溯到1930年代。这是在能够测量星系如何旋转之前，在认知到宇宙是由一个炽热、稠密、均匀的早期状态产生之前，在我们认知到一个炽热的大爆炸会产生什么后果之前，比如

• -剩余的辐射光穿透宇宙，
• -引力驱动的大尺度宇宙结构逐渐形成，
• -以及在宇宙早期历史中通过核聚变形成的元素的初始丰度。

我们还认知到恒星是如何工作的，万有引力是如何工作的。我们能够做的是观察星系在一个巨大的星系团中是如何移动的，至少是沿着我们的视线方向。通过测量来自这些星系的光，我们可以推断出有多少物质以恒星的形式存在。通过测量这些星系相对于彼此的移动速度，从维里定理，或从星团被束缚的简单条件，而不是在飞散的过程中，我们可以推断在其中有多少质量或总能量。

图示：由现代太空和地面望远镜所观察到的彗发星系团。红外数据来自斯皮策太空望远镜，地面数据来自斯隆数字巡天。彗发星团由两个巨大的椭圆星系主导，内部还有1千多个其他螺旋和椭圆星系。通过测量这些星系在星团内移动的速度，我们可推断出星团的总质量。

结果是它们不仅不匹配，而且是惊人的不匹配：保持这些星系团受到引力束缚所需的质量（或能量）大约是恒星形式存在的质量（或能量）的 160 倍！

这是最引人注目的部分，但当时几乎没有人关心。当时的许多顶级天文学家和天体物理学家只是断言，“嗯，还有很多其他的地方可能隐藏着物质，比如行星、尘埃和气体，所以不要担心这种不匹配。可以肯定，当我们考虑到它时，一切都会加在一起。”

直到1970年代，人们才进一步地探索，当时来自旋转星系的证据清楚地表明了不同规模的相同问题，如何可以通过我们所认知的：

• -存在的恒星种类，以及它们与太阳的光质比有何不同，如何将这个问题从160比1减少到50比1，
• -正如对不同波长光的发射和吸收特征的各种观察所揭示的那样，气体和等离子体的存在，如何将这个问题从50比1减少到5比1或6 比1，
• -以及行星、尘埃和黑洞的存在对这个问题是多么地微不足道。

图示：各种碰撞星系团的 X 射线（粉红色）和整体物质（蓝色）图显示了正常物质和引力效应之间的明显分离，这是暗物质最有力的证据。X射线有两种，具有低能量的软X射线和具有高能量的硬X射线，星系碰撞可以产生超过几十万度的温度。

也就是说，“质量缺失”问题——即使我们只看星系团和它们内部的物理/天体物理学——确实是一个普通物质无法单独解决的问题。

根据核聚变的物理学、热大爆炸期间的条件、质子、中子、中微子之间的相互作用，电子和光子，以及我们对迄今为止的对最原始气体云的发现，科学家们已经甚至能够测量宇宙中正常的原子基物质的总量。结果是，宇宙中只有约5%的能量以正常物质的形式被锁定：不足以解释我们看到宇宙中各种物体所经历的引力总量。

那么，如果尝试向宇宙添加额外数量的光子会发生什么？如果以光子的形式添加大量能量，足以弥补必须存在的引力缺陷，会发生什么？这是一个有趣的想法，爱因斯坦著名的方程E=mc^2告诉我们，即使光子没有静止质量，由于每个光子中的能量，它们具有“质量当量”；它们对引力有贡献的有效质量由m = E/c^2给出。

图示：在极热的早期宇宙中，在中性原子形成之前，光子以非常高的速率从电子（以及在较小程度上是质子）中散射出来，同时传递动量。在中性原子形成后，由于宇宙冷却到某个临界阈值以下，光子简单地沿直线传播，仅在波长上受空间膨胀的影响。

有一些问题立即出现，展示了这样的场景是如何行不通的。

• -首先，如果以光子的形式添加足够的能量来保持星系团的引力束缚，会发现——因为光子必须始终以光速移动——能够阻止光子流动离开星系团的唯一方法就是让它们掉进黑洞。这将增加黑洞奇点的剩余质量，但代价是破坏光子本身。否则，它们只会在短时间内逃脱，星系团就会解离。
• -其次，如果添加额外的光子来增加宇宙中光子辐射形式的能量，会遇到的一个巨大的问题：光子中的能量相对于物质中的能量迅速减少。是的，物质和辐射都是由量子构成的，随着宇宙的膨胀，每单位体积空间的量子数量会减少。但是对于像光子这样的辐射来说，每个量子的单独能量是由它的波长决定的，而且随着宇宙的膨胀，这个波长也会延伸。换句话说，宇宙中以辐射形式存在的能量比以物质形式存在的能量下降得更快，因此，如果辐射是造成额外引力效应的原因，那么这些效应会随着宇宙年龄的增长而减少，这与所观察到的相抵触。

图示：虽然随着宇宙体积的增加而膨胀，物质（正常的和暗的）和辐射变得不那么密集，但暗能量以及暴胀期间的场能是空间本身固有的一种能量形式。随着在膨胀的宇宙中创造出新的空间，暗能量密度保持不变。值得注意的是，单个辐射量子不会被破坏，而只是稀释和红移到逐渐降低的能量。

• -第三，也许是最重要的一点，如果在宇宙早期以光子的形式拥有额外的能量，它将完全改变轻元素的丰度，而轻元素的丰度得到了严格的观察和严格的限制。我们可以用非常小的不确定性来判断，在宇宙诞生只有几分钟的时候，每个重子（质子或中子）大约有15亿个光子，我们今天观察到相同的相应原始光子和重子密度。添加更多的光子和更多的光子能量会破坏这一点。

所以很明显，如果宇宙中有更多的光子（或更多的光子能量），我们就会注意到，而且我们非常精确地测量过的很多东西都会产生非常不同的结果。但是考虑这三个因素可以让我们走得更远，而不是简单地得出结论，无论暗物质是什么，它都不可能是不起眼的光子。我们还有很其他的经验可以认知，如下面的几点。

图示：宇宙中最轻的元素是在热大爆炸的早期阶段产生的，原始质子和中子融合在一起形成氢、氦、锂和铍的同位素。铍是不稳定的，在恒星形成之前，宇宙只剩下前三种元素。观察到的元素比率使我们能够通过将重子密度与光子数密度进行比较来量化宇宙中物质-反物质不对称的程度，并得出这样的结论：只有宇宙总现代能量密度的 5%被允许以正常物质的形式存在，并且重子与光子的比率，除了恒星的燃烧，在任何时候都基本保持不变。

从第一个约束——辐射会从引力束缚结构中流出——我们可以观察年轻的早期宇宙，看看各种束缚结构形成的速度有多快。如果造成这种额外引力效应的原因，超出了我们宇宙所拥有的正常（基于原子的）物质，在早期与光速相比移动得很快，它就会从任何试图引力坍缩的结构和形式中流出。

气体云将开始坍塌，但快速移动的高能物质的流出将导致它们再次重新膨胀。与大尺度相比，小尺度结构将受到抑制，因为宇宙的膨胀将在大尺度结构形成时“冷却”并减慢这种相对论材料，从而产生与尺度相关的抑制。现在暗物质相对于正常物质的相对丰度似乎比早期宇宙中的要高，因为在早期只会形成基于正常物质的结构，但在后期，暗物质会在引力的作用下与这些结构结合。

图示：来自星系、类星体甚至宇宙微波背景的遥远光源须穿过气体云。我们看到的吸收特征使我们能够测量介入气体云的许多特征，包括内部轻元素的丰度以及它们坍缩形成宇宙结构的速度，即使在非常小的宇宙尺度上也是如此。

这将在许多地方显示为特征，包括它会改变宇宙微波背景中的颠簸和摆动，它会在小宇宙尺度上产生强烈抑制的物质功率谱，它会导致吸收的抑制深度中间的气体云在类星体和星系上留下印记的线条，这将使宇宙网络“更加膨胀”，并且不像它那样具有丰富的特征。

我们对暗物质在早期的运动速度设定了限制。原则上它可能是：

• -热的，与早期的光相比它移动得更快，并且只是在相对较晚的时候才变得非相对论的，
• -温暖的，与早期的光速相比它的移动速度适中，但在中间时间变得非相对论的，
• -或冷的，与光速相比它总是缓慢移动，并且在结构形成的所有阶段都是非相对论的。

根据观察，可以非常强烈地得出结论，几乎所有宇宙的暗物质——大约93%或更多——必须是冷的，或者至少比“热或暖暗物质模型允许的”还冷，来自甚至在很早的时候。否则，将看不到我们基于它们今天在宇宙中所拥有的特性所做的结构。

图示：宇宙中形成的暗物质结构（左）和由此产生的可见星系结构（右）在冷、暖和热的暗物质宇宙中自上而下显示。根据观察，至少98%以上的暗物质必须是冷的或暖的；排除热的情况。在各种不同尺度上对宇宙许多不同方面的观察都间接地表明暗物质的存在。

第二个约束告诉我们，正常物质的相对丰度与“导致引力与我们的正常物质预期不匹配的任何原因”不能随时间改变，我们知道无论造成这些影响的根源是什么，它必须表现出与晚期相比，早期相同。这意味着它必须具有与正常物质相同的状态方程：它必须随着宇宙体积的膨胀而稀释，但它既不能有波长伸展（和能量减少），也不能从根本上是一、二或三维度实体，如弦、墙或宇宙纹理。

换句话说，它必须表现得像物质一样：冷的、非相对论的物质，即使在早期也是如此。它不会腐烂；它不能改变它的状态方程；它甚至不可能是某种形式的“暗”辐射，其行为与标准模型的光子不同。所有与膨胀宇宙中物质行为不同的能量种类都被排除在外。

最后，第三个约束——轻元素的丰度——告诉我们，在整个宇宙历史中，光子相对于重子的性质不会发生太大变化（除了恒星核聚变将质量转化为光子能量）。无论这个“缺失的质量”难题的解决方案是什么，这都是无法改变的奥妙之一。

图示：星系团可以从可用的引力透镜数据中重建其质量。大部分质量不是在单个星系内部发现的，在这里显示为峰，而是来自星团内的星系际介质，暗物质似乎存在于其中。更精细的模拟和观察也可以揭示暗物质的子结构，数据与冷暗物质的预测非常吻合。

当然，这并不是对“失踪质量”或“暗物质”难题的可能解决方案的详尽讨论，但它很好地探索了为什么我们对它可以是什么和不能是什么有如此严格的限制。从许多独立的证据线中获得了非常有力的证据——在许多不同的宇宙尺度和许多不同的宇宙时间——我们非常了解我们宇宙中的正常物质，以及它如何与光子以及一般的辐射相互作用。

我们了解结构是如何以及何时形成的，包括许多不同尺度的光亮细节，并且知道无论暗物质问题的解决方案是什么，它的行为都好像：

• -在整个宇宙历史中一直存在，
• -从未以任何实质性的、显着的方式与光子或正常物质相互作用，
• -引力和演化的方式与普通物质一样，
• -与光速相比，从来没有快速移动过，
• -而且在所有尺度和任何时候形成宇宙结构，就好像它生来就是冷的，从未改变过它的状态方程。

简单说来，暗物质实际上会具有辐射性的吗？关于宇宙本质的东西，还有很多我们可以认知的。理论、观察和模拟的相互运用使我们得出了一个非凡的结论：无论“失踪质量”问题的解决方案是什么，它看起来确实很像是冷暗的物质，对所有可能的替代方案都有着非常严格的限制。