現(xiàn)代科學最大的奧秘之一就是暗物質(zhì)之謎。如果把所有構(gòu)成行星、恒星、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(zhì)加起來，即宇宙中已知的所有物質(zhì)，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(jié)構(gòu)。所以一定有其他東西存在于宇宙之中，而且不是尋常物質(zhì)（普通物質(zhì)）。
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(jié)點，可以觀測到的部分變得越來越寬闊。然而，大爆炸留下的余輝今天依然可見。圖片：NASA / WMAP science team
博科園-科學科普：科學家把這種神秘物質(zhì)的命名為暗物質(zhì)。因為它與光和普通物質(zhì)沒有相互作用，而且無法被看到。物質(zhì)因為它的引力，緊緊抱在一起。雖然關(guān)于暗物質(zhì)到底是什么東西存在著爭議，但暗物質(zhì)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(xiàn)。在本世紀初發(fā)現(xiàn)最早宇宙圖像中，可以看到：大爆炸的余輝。
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）“最后散射面”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）并非自然而生，而是由于物質(zhì)密度較大而產(chǎn)生較大引力的區(qū)域，而熱點（紅色）溫度更高，因為該區(qū)域的輻射遍布存在于較淺的引力波中。圖片：E.M. Huff, the SDSS-III team and the South Pole Telescope team; graphic by Zosia Rostomian
數(shù)十億年前，宇宙更加致密，更加均勻，更接近宇宙大爆炸。今天的巨大星系團需要數(shù)十億年的時間才能形成，數(shù)以千萬計的恒星組成了第一批恒星，數(shù)以億計的恒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，以至于形成的每一個中性原子，每一個與原子核結(jié)合的電子，都會被在大爆炸中產(chǎn)生的輻射分解成成自由離子。
不能在一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)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，并且毫不留情地進入電子。無論何時何地，這種現(xiàn)象總是在不停發(fā)生。在形成中性原子之后，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(zhì)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%之后，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(fā)射之前，其后是過渡到中性(右)透明的宇宙。圖片版權(quán)：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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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，并被稱為宇宙微波背景（CMB）輻射。在很長一段時間內(nèi)，“均衡溫度”是宇宙微波背景輻射（CMB）的典型特征。唯一不完美的地方是其他物質(zhì)吸收、釋放或改變微波輻射，如銀河系的銀河平面。
根據(jù)彭齊亞斯和威爾遜的原始觀察，銀河系平面發(fā)射了一些天體物理的輻射源(中心)，除了上方和底部，其余部分是一個近乎完美的輻射背景。圖片：NASA / WMAP Science Team
隨著衛(wèi)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(qū)域，就無法形成恒星、星系和星系團這樣的結(jié)構(gòu)。這些初始波動的尺度和大小決定了現(xiàn)今宇宙將會變成什么樣。今天所擁有的巨大而多樣的宇宙結(jié)構(gòu)證明了這些源頭變化是多么重要。
宇宙微波背景輻射（CMB）的波動，大規(guī)模結(jié)構(gòu)的形成和相關(guān)性，以及現(xiàn)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(zhì)。圖片：Chris Blake and Sam Moorfield
在20世紀90年代，NASA發(fā)射了COBE衛(wèi)星，測量了最大尺度上的波動，發(fā)現(xiàn)它們存在于0.003%電平。在20世紀40年代，WMAP使范圍縮小到大約一個角度，然后普朗克在2010年代把它降到了0.07度：最小的規(guī)模。雖然它可能并不明顯，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么，也讓科學家弄清楚宇宙究竟是由什么構(gòu)成的。
通過改進的衛(wèi)星圖像，大爆炸余輝的細節(jié)處理已經(jīng)越來越好。圖片：NASA/ESA and the COBE, WMAP and Planck teams
宇宙的“創(chuàng)造”應(yīng)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(jié)束。從大爆炸的那一刻起，就出現(xiàn)在所有的尺度上，提供了這些密度過大、密度較低的區(qū)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(qū)域試圖增長，吸引更多的物質(zhì)。低密度地區(qū)則在“增長”過程中走向衰敗，并試圖將它們的物質(zhì)排放到周圍不那么密集的區(qū)域。但有一個棘手的問題存在：宇宙中正常物質(zhì)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）波動是基于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(jié)束時達到的最大能量尺度，它遠低于普朗克尺度。圖片：NASA / WMAP Science Team
在一個只有正常物質(zhì)和輻射的宇宙中，引力試圖把正常物質(zhì)拉到密度更大的區(qū)域，但輻射對其不利。創(chuàng)造一個高密度的區(qū)域會導致其內(nèi)部的輻射壓力上升，這會引起正常物質(zhì)的相互排斥。由于大爆炸決定了輻射能傳播多遠，因此，在什么尺度下正常的物質(zhì)可以被推出去。
但如果宇宙中存在暗物質(zhì)，就會有其他事情發(fā)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(yīng)位置增加。但在正常物質(zhì)和暗物質(zhì)之間，以及輻射和暗物質(zhì)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(chǎn)生的峰谷模式將會不同，這取決于宇宙中每種成分的含量。
宇宙微波背景輻射（CMB）峰值的結(jié)構(gòu)由宇宙中歐什么東西決定。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(zhì)的宇宙，以及宇宙中暗物質(zhì)的含量，從大規(guī)模結(jié)構(gòu)和x射線簇的觀測得出暗物質(zhì)含量是正常物質(zhì)的5倍。如果在大爆炸后不久開始進行這兩個樣本宇宙的研究，然后讓它們各自演化，它們都可以在宇宙微波背景輻射（CMB）中創(chuàng)造出峰谷，就像正常物質(zhì)和光子跳舞一樣，但是暗物質(zhì)既改變了整體物質(zhì)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(nèi)的波動,將于宇宙微波背景輻射中測量的宇宙輻射一起出現(xiàn),然后發(fā)現(xiàn)70%暗能量,25%的暗物質(zhì),5%的正常物質(zhì)(L),或有100%的正常物質(zhì)的宇宙(R)。峰的數(shù)目以及峰高和位置的差異一目了然。圖片版權(quán)：E. Siegel / CMBfast
所以，所需要做的就是看i奧杰宇宙是否有暗物質(zhì)存在，換句話說也就是測量這些在宇宙微波背景中出現(xiàn)溫度波動峰的相對高度、位置和數(shù)量是由暗物質(zhì)、正常物質(zhì)、暗能量以及宇宙膨脹率的相對豐度所引起的。很重要的是，如果沒有暗物質(zhì)，只能看到峰值的一半，當將理論模型與觀測結(jié)果進行比較時，有一種與暗物質(zhì)相匹配，極具引力的宇宙有效地排除了一個沒有暗物質(zhì)存在的宇宙。
從普朗克衛(wèi)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(zhì)的宇宙。圖片版權(quán)：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(zhì)一定存在。峰值高度和哈勃常數(shù)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(zhì)，5%正常物質(zhì)，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。甚至在大爆炸之后138億年后的今天，暗物質(zhì)存在的證據(jù)可能會被抓拍到！
博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B
