這就是最早期宇宙圖像揭示的暗物質

來自專欄 博科園

現代科學最大的奧秘之一就是暗物質之謎。如果把所有構成行星、恆星、氣體、等離子體、黑洞、星系以及星系之間空間的所有正常物質加起來，即宇宙中已知的所有物質，這也不足以解釋我們所理解的重力。這無法解釋單個星系、星系群、星系碰撞、引力透鏡或宇宙大尺度結構。所以一定有其他東西存在於宇宙之中，而且不是尋常物質（普通物質）。

當觀測可觀測宇宙歷史時間軸時，就越向前遠離大爆炸的時間節點，可以觀測到的部分變得越來越寬闊。然而，大爆炸留下的餘輝今天依然可見。圖片：NASA / WMAP science team

博科園-科學科普：科學家把這種神秘物質的命名為暗物質。因為它與光和普通物質沒有相互作用，而且無法被看到。物質因為它的引力，緊緊抱在一起。雖然關於暗物質到底是什麼東西存在著爭議，但暗物質的存在幾乎是可以肯定的，因為它在任何天文觀測中都有可能出現。在本世紀初發現最早宇宙圖像中，可以看到：大爆炸的餘輝。

如果望遠鏡的條件允許，可以觀測到宇宙的任何一個角落。但是當宇宙布滿電離的等離子體時，就沒有比宇宙微波背景輻射（CMB）「最後散射面」探測更遠的辦法了。宇宙微波背景輻射（CMB）中的冷點（藍色顯示）並非自然而生，而是由於物質密度較大而產生較大引力的區域，而熱點（紅色）溫度更高，因為該區域的輻射遍布存在於較淺的引力波中。圖片：E.M. Huff, the SDSS-III team and the South Pole Telescope team; graphic by Zosia Rostomian

數十億年前，宇宙更加緻密，更加均勻，更接近宇宙大爆炸。今天的巨大星系團需要數十億年的時間才能形成，數以千萬計的恆星組成了第一批恆星，數以億計的恆星組成了第一批星系。任何單個光子的能量都與它的波長成正比，當宇宙膨脹時，所有的「長度」都延伸(到更低的能量)；早期的宇宙不僅小，而且更熱。在過去的某個時刻，宇宙足夠熱，以至於形成的每一個中性原子，每一個與原子核結合的電子，都會被在大爆炸中產生的輻射分解成成自由離子。

不能在一個穩定的結構中形成中性原子，直到宇宙冷卻到足夠多的光子從宇宙微波背景輻射（CMB）下降到一定的能量。圖片：Amanda Yoho

在宇宙冷卻到足以形成中性原子之前，光子在周圍飛來飛去，並且毫不留情地進入電子。無論何時何地，這種現象總是在不停發生。在形成中性原子之後，只有非常非常特別波長的光子，即導致特定原子的電離或原子躍遷的波長，才能相互作用。在宇宙超過冷卻臨界值之前，光子和正常物質以極高的速率相互作用。宇宙變成100%充滿中性原子和充滿離子0%之後，這些光子就以直線的方式流動；它們的波長，在過去的138億年里，隨著宇宙的膨脹而延伸，今天，到達我們的眼睛和探測器。

電離等離子體(左)在宇宙微波背景發射之前，其後是過渡到中性(右)透明的宇宙。圖片版權：Amanda Yoho

最初，有一個很好的詞來解釋宇宙大爆炸中遺留輻射：原始火球。在20世紀60年代中期科學家發現了它，那時起就知道它的溫度和波長/頻率特性：它在2.725 K處被發現，科學家將其放在光譜的微波部分。它在天空各個方向上具有相同的溫度特性，並被稱為宇宙微波背景（CMB）輻射。在很長一段時間內，「均衡溫度」是宇宙微波背景輻射（CMB）的典型特徵。唯一不完美的地方是其他物質吸收、釋放或改變微波輻射，如銀河系的銀河平面。

根據彭齊亞斯和威爾遜的原始觀察，銀河系平面發射了一些天體物理的輻射源(中心)，除了上方和底部，其餘部分是一個近乎完美的輻射背景。圖片：NASA / WMAP Science Team

隨著衛星和氣球攜帶的實驗變得更好，科學家開始看到宇宙微波背景中的存在的缺陷。這些都是極其重要的：沒有過度密集和密度過低的區域，就無法形成恆星、星系和星系團這樣的結構。這些初始波動的尺度和大小決定了現今宇宙將會變成什麼樣。今天所擁有的巨大而多樣的宇宙結構證明了這些源頭變化是多麼重要。

宇宙微波背景輻射（CMB）的波動，大規模結構的形成和相關性，以及現代對引力透鏡的觀測，在許多其他方面，都指向同一情景：充滿暗物質。圖片：Chris Blake and Sam Moorfield

在20世紀90年代，NASA發射了COBE衛星，測量了最大尺度上的波動，發現它們存在於0.003%電平。在20世紀40年代，WMAP使範圍縮小到大約一個角度，然後普朗克在2010年代把它降到了0.07度：最小的規模。雖然它可能並不明顯，但這些波動不只是告訴我們宇宙在膨脹過程中會演化成什麼，也讓科學家弄清楚宇宙究竟是由什麼構成的。

通過改進的衛星圖像，大爆炸餘輝的細節處理已經越來越好。圖片：NASA/ESA and the COBE, WMAP and Planck teams

宇宙的「創造」應該是密度波動：這些宇宙尺度上的不完美，從宇宙膨脹時便結束。從大爆炸的那一刻起，就出現在所有的尺度上，提供了這些密度過大、密度較低的區域。然而，隨著時間的推移，宇宙不只是膨脹和冷卻，而是過密的區域試圖增長，吸引更多的物質。低密度地區則在「增長」過程中走向衰敗，並試圖將它們的物質排放到周圍不那麼密集的區域。但有一個棘手的問題存在：宇宙中正常物質和宇宙中的光子（輻射）相互作用，相互撞擊，直到這些中性原子形成為止。

宇宙微波背景輻射（CMB）波動是基於膨脹引起的原始波動。特別大尺度上的「扁平部分」(左)在沒有膨脹的情況下無法被解釋，而波動的幅度限制了宇宙在膨脹結束時達到的最大能量尺度，它遠低於普朗克尺度。圖片：NASA / WMAP Science Team

在一個只有正常物質和輻射的宇宙中，引力試圖把正常物質拉到密度更大的區域，但輻射對其不利。創造一個高密度的區域會導致其內部的輻射壓力上升，這會引起正常物質的相互排斥。由於大爆炸決定了輻射能傳播多遠，因此，在什麼尺度下正常的物質可以被推出去。

但如果宇宙中存在暗物質，就會有其他事情發生。是的，它會被吸引，而且越來越高的密度會導致輻射壓力在相應位置增加。但在正常物質和暗物質之間，以及輻射和暗物質之間沒有直接的相互作用。因此，在宇宙微波背景輻射（CMB）中產生的峰谷模式將會不同，這取決於宇宙中每種成分的含量。

宇宙微波背景輻射（CMB）峰值的結構由宇宙中歐什麼東西決定。圖片：W. Hu and S. Dodelson, Ann.Rev.Astron.Astrophys.40:171–216,2002

最重要的是，宇宙學家可以模擬出一個沒有暗物質的宇宙，以及宇宙中暗物質的含量，從大規模結構和x射線簇的觀測得出暗物質含量是正常物質的5倍。如果在大爆炸後不久開始進行這兩個樣本宇宙的研究，然後讓它們各自演化，它們都可以在宇宙微波背景輻射（CMB）中創造出峰谷，就像正常物質和光子跳舞一樣，但是暗物質既改變了整體物質輻射的舞蹈動作，也添加了不同的舞蹈動作。

模擬溫度在不同角尺度內的波動,將於宇宙微波背景輻射中測量的宇宙輻射一起出現,然後發現70%暗能量,25%的暗物質,5%的正常物質(L),或有100%的正常物質的宇宙(R)。峰的數目以及峰高和位置的差異一目了然。圖片版權：E. Siegel / CMBfast

所以，所需要做的就是看i奧傑宇宙是否有暗物質存在，換句話說也就是測量這些在宇宙微波背景中出現溫度波動峰的相對高度、位置和數量是由暗物質、正常物質、暗能量以及宇宙膨脹率的相對丰度所引起的。很重要的是，如果沒有暗物質，只能看到峰值的一半，當將理論模型與觀測結果進行比較時，有一種與暗物質相匹配，極具引力的宇宙有效地排除了一個沒有暗物質存在的宇宙。

從普朗克衛星觀測到的CMB中的聲波峰的模式有效地排除了一個不包含暗物質的宇宙。圖片版權：P.A.R. Ade et al. and the Planck Collaboration (2015）

事實上，宇宙微波背景輻射（CMB）中有許多峰，告訴我們暗物質一定存在。峰值高度和哈勃常數的測量值約為70 kM/s/MPC，揭示出宇宙大約有68%暗能量，27%暗物質，5%正常物質，和大約0.01%輻射。宇宙微波背景輻射（CMB）是最早的宇宙圖像圖景，只要我們用光拍攝照片，它很可能是我們所能看到最早的照片。甚至在大爆炸之後138億後的今天，暗物質存在的證據可能會被抓拍到！

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B