暗物质是“冷的”还是“热的”？

岑夫子

据估计，宇宙中占物质总质量84%以上的是一种神秘的物质，叫暗物质。由于暗物质几乎不与普通物质发生作用，所以很难探测组成它的粒子是什么。最近几年，天文学家捕捉暗物质粒子的结果都是“竹篮打水，一场空”。但是，即便在这种情况下，科学家也已经解决了关于暗物质是“冷”是“热”的问题。那么，在不见实物粒子，几乎对它的性质一无所知的情况下，他们是怎么解决这一问题的呢？

宇宙大尺度结构的发现

上世纪下半叶，宇宙学研究进入到一个前所未有的发展阶段。一方面，大爆炸宇宙学逐渐成为主流，借助广义相对论，理论学家开始建立关于宇宙演化的理论。另一方面，人们对于银河系附近宇宙的探测还留有极大的空白。我们附近的宇宙是什么样子，没有人能够说清楚。

1977年，美国哈佛-史密森天文中心的科学家计划进行一次雄心勃勃的星系巡天，称为CFA巡天计划。这个项目计划对全天2400个星系离开我们的距离进行精确测量。第一期巡天在1982年完成，观测到的星系中最暗的是人类肉眼极限的两千分之一。将这些星系画在一张图上，人们就可以粗略地画出宇宙的一个三维“地图”，两个维度代表星系在天空中的位置，第三个维度则代表它们离开我们的距离。

在过去的研究中，因为不知道星系的距离，人们习惯将观测到的星系位置画在二维的天球坐标系中。也就是说，过去人们看到的星系，实际上只是它们在二维球面上的投影。在这样的图中，星系分布看起来没有什么特别的规律，似乎分布非常均匀，这倒跟当时一个所谓的“宇宙学原理”颇为吻合。宇宙学原理说，宇宙物质从大尺度来看，应该是均匀的。CFA巡天则让宇宙学家可以在更加真实的情况下，检验宇宙学原理的有效性。

结果大出乎意料。在这张粗糙的宇宙三维地图上，星系分布就像一张不规则的渔网。它们的分布并非均匀，而是很明显地聚集“网丝”上，“网丝”又似乎附着在“网眼”上。在几条“网丝”相交的点上，星系尤其密集，而在“网眼”所在的巨大空洞中，星系几乎寥寥无几。

暗物质是“冷”还是“热”？

如何解释这一切呢？按照大爆炸理论，宇宙早期温度极高，密度极大，物质分布高度均匀。现在所展现出来的网状结构，必定是演化來的，而在宇宙这个层次上，主要是引力在起作用，所以演化又必定是由引力推动的。

那时，人们已经意识到，主导宇宙结构形成的并不是可见物质，因为这部分物质所占比例很小，有超过84%的物质都是不可见的暗物质。这意味着，宇宙的这种网状大尺度结构，必须考虑暗物质的作用才能解释。

在CFA巡天计划所绘制的宇宙地图上，星系分布就像一张不规则的渔网。

巧合的是，1970年代随着大统一理论的建立，粒子物理学们意识到，理论上中微子是可以具有质量的。而当时的一系列实验测量显示，中微子的静止质量可能在30电子伏特左右。这些测量虽然在今天看来是不可靠的，在当时却使得中微子成为暗物质最可能的候选者。在大家眼里，虽然单个的中微子质量极小，但因为数量多得惊人，它们在宇宙物质中的“份额”占大头，也并非不可能。由于中微子运动速度极快，几乎接近光速，因此它被称作“热暗物质”。与此相对的，理论学家也提出数种“冷暗物质”的候选者。相比热暗物质，冷暗物质粒子的质量要大得多，在宇宙早期的速度非常低。——这里的“冷”“热”借用了热力学上的说法，因为根据分子运动论，组成气体的分子平均速度越大，气体温度就越高，反之，则越冷。

暗物质是“冷”还是“热”，对宇宙演化的影响是不一样的。虽然不论“冷”还是“热”，暗物质都会在引力作用下聚集成团，但暗物质粒子运动速度越快，显然越不容易受引力“束缚”，也就越不容易聚集，这就影响到宇宙结构的形成。

在热暗物质主导的宇宙中，首先形成的是巨大的薄饼状结构，紧接着的是巨大的网状结构。薄饼状结构在引力作用下继续坍缩，其结构会变得不稳定，从而碎裂成更小尺度的结构，例如星系。而在冷暗物质主导的宇宙中，首先形成的是小的团块，如星系。不同的团块通过合并逐渐长大，最后形成大尺度的网状结构。

概而言之，在热暗物质主导的宇宙中，先形成“巨网”，再形成单个星系;在冷暗物质主导的宇宙中，先形成星系，再形成“巨网”。

争论尘埃落定

哪一种暗物质模型与今天观测到的宇宙大尺度结构更符合呢？这就需要实验来验证。由于宇宙的演化早已是“前尘往事”，我们只能借助电脑模拟来再现这一过程。美国哈佛-史密森天文中心的科学家们就做了这样的模拟。

首先模拟的是热暗物质主导的宇宙演化过程。人们本来对中微子寄予厚望，但结果大出乎意料。在这个图景里，宇宙的网状结构确实形成了，但在“网眼”似乎比今天观测到的宇宙密了许多。同时，相对小尺度的结构——星系，却又无法在模拟中生成。

接着，又模拟冷暗物质主导的宇宙演化过程。这一次，率先形成的是星系，然后是星系团，再后来，含有“网丝”和“网眼”的整个宇宙大尺度结构也出来了。模拟得到的宇宙大尺度结构，与CFA巡天所观测到的十分相似。

这样，“冷”“热”暗物质谁主宇宙“沉浮”，也就一目了然了。