滿宇宙存在的暗物質到底有多冷？

暗物質佔據了宇宙物質的主導。雖然它幾乎不受弱相互作用的影響也不和電磁力發生互相作用，但是通過對普通重子物質的引力作用還是能推測出它的存在。 100年前，人們猜測低質量恆星就是暗物質，然而在過去的70年里發現了暗物質的非重子成分，並且這一成分在宏觀尺度上佔據了主導。由於非重子暗物質也是 物質，因此粒子物理標準模型的後繼者也必須要能描述這些物質。在微觀尺度上，標準模型遇到的問題也許需要引入新的粒子才能解決，其中一些就是暗物質的主要 成分。因此除了在天文學尺度上利用引力作用間接探測之外，在地球上也正在使用大型強子對撞機（LHC）或者其他實驗來加緊直接探測暗物質。

天文尺度上的探測能區分不同種類的暗物質嗎？天文尺度暗物質探測的未來會朝哪個方向發展？答案就在由暗物質主導的宇宙結構形成里。解開星系以及小尺度結構形成之謎將為我們揭示出暗物質的屬性，反之亦然。

正如我們在宇宙誕生之後30萬年的微波背景輻射中所看到的極其微小的漲落，宇宙早期是非常均勻的。在暗物質自引力的作用下，宇宙結構開始形成。高速運 動（「熱」且相對論性）的暗物質和低速運動（「冷」）的暗物質比起來更難成團，因此它們成團的尺度有所不同並且可以區分。結構形成的數值模擬完美地再現了 今天我們所觀測到宇宙大尺度結構，這其中要求絕大部分的物質是「冷」的，並且允許中微子擁有質量。由此所得到的一般結論是，暗物質可以包含一些「熱」的成 分——有質量的中微子、引力波、輻射等，但是暗物質的主導是一種新的物質。在星系形成的小尺度上，數值模擬無法預言它們的性質，甚至得到結構都與我們的觀 測不符。這些地方可能暗藏著新的物理學。解開非重子物質對重子物質的天體物理效應是目前的一大挑戰。

[圖片說明]：全天天體物理天體測量干涉儀（Gaia）構想圖。版權：ESA。

通過量化包括銀河系以及近鄰星系在內的本星系群的結構和演化，可以非常好地研究小尺度上的暗物質作用。得益於大面積的巡天，在銀河系中和周圍發現了許 多新的矮星系。這些星系是宇宙形成之後10億年內形成第一個引力束縛系統時殘存下來的，其中暗物質佔據了主導。觀測到的大型星系的衛星星系的數量和預言的 相差好幾倍。更有趣的是，它們的亮度結構都具有意料之外的大小為300光年的最小尺度。初步的動力學分析認為，這一尺度限制是由於暗物質的成團特性所造成 的，體現了暗物質的物理屬性。儘管已經有很多嘗試來定量描述這其中的動力學過程以及由此造成的小星系物質分布，但是從天體物理學的角度來解開粒子物理之謎 並非易事。

本星系群中的絕大多數暗物質都位於本星系群中的銀河系、仙女星系和其他星系中。對本星系群進行細緻的質量測定並且對它的演化進行量化是對星系形成理論 的重要檢驗。由於發現了新的證據，在過去的幾年中星系形成理論一直在不斷完善，這一過程還將繼續。測定這些星系的質量、演化以及確定暗物質的分布對於定量 研究暗物質在星系形成和演化中的作用是至關重要的一步。

全天天體物理天體測量干涉儀（Gaia）將在這其中扮演重要的角色。Gaia是歐洲空間局的天體測量衛星，它將能測量亮於20等的10 億顆恆星的絕對距離和自行。Gaia利用地球繞太陽轉動而形成的不同視角所產生的三角視差來測量天體的絕對距離。Gaia的測量精度比目前的最高精度要高 3個數量級，而它的靈敏度則要高4個數量級。它的主要任務之一就是研究星系演化，這其中包括了測量在所有尺度上暗物質的分布。天體物理學中暗物質研究的難 點是精確測量它的質量。通常所能採用的只有視向速度和少量橫向速度資料，因此模型中只使用了部分信息。Gaia將能精確地測定天體的橫向運動，因此可以完 整地給出大量天體在6維相空間中的位置和速度，這對於精確計算星系的質量和確定它的軌道極為重要。

暗物質是宇宙中物質的主導。它可能有幾種不同的成分組成，從微觀弱相互作用大質量粒子到大尺度的大質量中微子，在不同的尺度上它們的貢獻也各有不同。 要弄清楚暗物質的組成就需要定量的確定它們的三維質量分布——無論是在天體物理尺度的系統中還是地球上的實驗室里。自從被引力束縛在暗物質暈里之後，星系 已經演化了130多億年。定量描述其中的天體物理過程已經顯得日趨重要。儘管這是一項艱巨的挑戰，但是有了LHC和Gaia相助未來一定會取得實質性的進展。

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