神秘的暗物質在宇宙中的作用
現代天文學通過引力透鏡、宇宙中大尺度結構的形成、微波背景輻射等研究表明：我們目前所認知的部分，即重子(加上電子)，大致占宇宙的4％，而暗物質則佔了宇宙的23%，還有73%是一種導致宇宙加速膨脹的暗能量。暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性，對結構形成也非常關鍵。暗物質很有可能是一種（或幾種）粒子物理標準模型以外的新粒子所構成。對暗物質(和暗能量)的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。暗物質存在的最早證據來源於對球狀星系旋轉速度的觀測。現代天文學通過引力透鏡、宇宙中大尺度結構形成、天文觀測和膨脹宇宙論研究表明：宇宙的密度可能由約70%的暗能量，5%的發光和不發光物體，5%的熱暗物質和20%的冷暗物質組成。
首先明確宇宙暗物質目前依然只是假設，因為暗物質是不可觀察的，不可測量的。對於暗物質的作用，科學家門說暗物質統治著宇宙，他們將星系不斷的推散，星系之間會變得越來越散，溫度會越來越冷。。宇宙暗物質的總質量是普通物質的6倍，在宇宙能量密度中佔了1/4，同時更重要的是，宇宙暗物質主導了宇宙結構的形成。宇宙暗物質的本質現在還是個謎，但是如果假設它是一種弱相互作用亞原子粒子的話，那麼由此形成的宇宙大尺度結構與觀測相一致。不過，最近對星系以及亞星繫結構的分析顯示，這一假設和觀測結果之間存在著差異，這同時為多種可能的宇宙暗物質理論提供了用武之地。
宇宙暗物質促成了宇宙結構的形成，如果沒有宇宙暗物質就不會形成星系、恆星和行星，也就更談不上今天的人類了。宇宙儘管在極大的尺度上表現出均勻和各向同性，但是在小一些的尺度上則存在著恆星、星系、星系團、巨洞以及星系長城。而在大尺度上能過促使物質運動的力就只有引力了。但是均勻分布的物質不會產生引力，因此今天所有的宇宙結構必然源自於宇宙極早期物質分布的微小漲落，而這些漲落會在宇宙微波背景輻射(CMB)中留下痕迹。然而普通物質不可能通過其自身的漲落形成實質上的結構而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕迹，因為那時普通物質還沒有從輻射中脫耦出來。
另一方面，不與輻射耦合的宇宙暗物質，其微小的漲落在普通物質脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質脫耦之後，已經成團的宇宙暗物質就開始吸引普通物質，進而形成了我們現在觀測到的結構。因此這需要一個初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這裡需要的物質就是冷宇宙暗物質，由於它是無熱運動的非相對論性粒子因此得名。
在開始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中最後一件重要的事情。對於先前提到的小擾動(漲落)，為了預言其在不同波長上的引力效應，小擾動譜必須具有特殊的形態。為此，最初的密度漲落應該是標度無關的。也就是說，如果我們把能量分布分解成一系列不同波長的正弦波之和，那麼所有正弦波的振幅都應該是相同的。暴漲理論的成功之處就在於它提供了很好的動力學出發機制來形成這樣一個標度無關的小擾動譜(其譜指數n=1)。WMAP的觀測結果證實了這一預言，其觀測到的結果為n=0.99±0.04。
但是如果我們不了解宇宙暗物質的性質，就不能說我們已經了解了宇宙。現在已經知道了兩種宇宙暗物質--中微子和黑洞。但是它們對宇宙暗物質總量的貢獻是非常微小的，宇宙暗物質中的絕大部分現在還不清楚。這裡我們將討論宇宙暗物質可能的候選者，由其導致的結構形成，以及我們如何綜合粒子探測器和天文觀測來揭示宇宙暗物質的性質。
推薦閱讀：