暗物质的社交天性

暗物质并不是我们想象的样子。就像当我们过于关注黑与白的时候，往往会忽略灰的存在，更不用说斑点和条纹了。

城市化已经成为现代社会进步的必要因素。把足够多的人连接起来可以让思想闪耀，让经济繁荣，让其他大量有益的事情得以发生。城市的成长源于城市的扩张，城市会不断地吸引越来越多的人到来，因为这里有更多的工作机会、有更好的工作和生活的条件。但是，一旦城市变得非常拥挤，房价不断升高，犯罪率居高不下，或者出现其他城市综合征，就会致使人们搬到人口没有那么密集的城市周边，甚至更远的地方，完全远离市中心。城市的其他部分也许会按照规划正常地发展，但是城市开发者那过于乐观的态度，很可能被市中心高楼林立却依然不足以提供住处的现状所打击，这一现象讽刺地反映了城市的过快发展。另一方面，没有稳定的市中心，郊区的社区也无法繁荣起来，这样，购物中心的开发者们也会非常失望。

这些现象看起来和宇宙结构的形成与演化颇为相似。我已经解释了人们今天对暗物质的理解。现在的很多观测以及预言都表明，暗物质与普通物质的相互作用非常微弱。在基于暗物质的数值模拟中，假设暗物质与普通物质只存在引力相互作用，由此给出了关于星系和星系团的尺度、密度、集中度分布以及形状的相关预言。与对大尺度城市的成长预言一样，宇宙大尺度结构的预言与观测符合得非常好。

精确的宇宙学数值模拟在小尺度上与观测符合并不怎么好。星系或者星系团中心部分的质量分布，以及银河系周围的小质量矮星系的数目，与理论预言相差很多。就像人口密度没有那么高的城市中心部分和欠发达郊区一样，数值模拟对星系中的密度以及卫星星系数目的预言都太高了。仙女座星系以及其他星系中矮星系的数目，与理论预言的空间分布也有很大偏差。

这也许说明了，数值模拟存在问题或者观测数据还非常不完善。但在小尺度结构上理论与观测的不符也给了我们一些暗示：暗物质并不是我们想象的样子，也许暗物质自身的相互作用一点都不弱。

尽管暗物质与普通物质的相互作用很小，一个暗物质粒子与另一个暗物质粒子的相互作用却可能很大。这种自相互作用暗物质由于探测设备限制，并没有受到很强的观测限制，因为目前的暗物质直接探测实验，都是研究暗物质与普通物质的相互作用。这些自相互作用也许会大到值得人们去关注。

我们现在可以确定宇宙中结构的形成与演化的基本概念，但这些可能的理论与观测的不自洽表明，科学还没有发展到给暗物质本质下定论的程度。对于研究者来说，这非常好。我们必须学习很多新东西，不管结果怎样。这一章我会阐述宇宙小尺度结构（Small-scale structure）的相关问题，并说明为什么自相互作用暗物质可以解决这些问题。

第5章提到，暗物质粒子的引力作用如何决定了宇宙的结构形成。暗物质通过早期宇宙的密度涨落，演化成拥有较深引力势阱的暗物质晕，星系则从这个暗物质晕中诞生并成长，这里大部分利用的是引力的吸引作用。星系一旦形成，便开始向位于大尺度薄片结构和网状结构中的星系团中合并，这样就为其他结构的形成提供了基本的平台。尽管单个星系或者星系团的演化细节取决于其所在位置的原初条件，但天文学家们可以预言星系和星系团统计上的性质分布，而且这些预言大部分与观测符合得非常好。

对于小尺度结构（即矮星系尺度的结构）的预言却不那么可靠。关于星系中心密度分布的计算给出的预言太高了，关于银河系周围的卫星星系数目的计算，给出的预言也高出观测很多。观测天体物理学家无论是在大质量的晕中，还是独立的、小质量的晕中，都没有发现足够数目的小尺度结构。这和等级式成团理论的预言完全不符，并且这个问题一直持续到今天。

此类问题最著名的应该是核-尖峰问题（core-cusp pro-blem）。天文学家和宇宙学家不但预言宇宙中存在天体的种类，还能预言出这些天体中物质是如何分布的。关于星系中心质量分布的预言是：星系或星系团的密度轮廓（denstity profiles，即密度随半径变化的方程），在中心处应该存在一个尖峰结构（cuspy）。这就意味着，暗物质的密度在星系或者星系团的中心会升高得异常快，并在中心区域形成一个极端高密度的区域。

然而，观测天体物理学家们所测量的密度，在某种程度上无法和这个预言相一致。事实上，根据现有的观测数据，大多数星系不存在核-尖峰结构，而是存在一个平缓的核结构（cored profiles，见图18-1）。这让人迷惑不解，并不只是因为三星智能手机的“Galaxy Core”。对于大多数人而言，核结构应该是一个很高密度的结构，比如地球的熔岩核。这里的核结构却恰好是相反的情况。核结构意思是说，本来的中心高密度区域被磨平了，就像你从一个苹果中切掉了苹果核一样。当然，没人把星系的整个内核挪走。但观测表明，星系中心的物质密度并不像预言所描述的核-尖峰结构，而是密度分布相对平缓的核结构。星系团的情况也十分类。

图18-1

数值模拟预言：在星系中，暗物质的质量分布会在星系中心呈核-尖峰结构，也就是说，很大一部分物质会存在于星系中心。但是，观测给出的却是一个平滑低密度的核结构。图中给出了这两种密度分布的示意图，但是核-尖峰结构在中心的密度分布比图中展示的更为陡峭。

解释为什么星系或者星系团中心的质量分布是平缓的核结构，而不是暗物质数值模拟所预言的核-尖峰结构，已经成为最简单暗物质模型的最重要挑战。这个问题和丢失的卫星星系问题（missing satellite problem，中心星系的卫星星系数目远小于理论预言），以及大质量星系理论与观测不符问题（too big to fail problem，即最致密、最大质量星系的相关观测与理论预言不符），也许指出了标准暗物质模型的不足。

另外，最近还有更多值得注意的暗物质预言问题，例如暗物质盘模型，这个我很快会谈到。还有，大星系周围的卫星星系空间分布并不是天文学家所预料的那样。以前，天文学家们认为，卫星星系应该或多或少呈球对称分布，但是仙女星系中的大约30个卫星星系中，几乎有一半都在一个近似平面内运行，而且这些卫星星系的轨道方向也大体相同。银河系的卫星星系有些也遵循这种奇怪的分布。

矮星系的这种近似在同一平面且相同旋转方向的性质也许说明，它们起源于合并星系的盘结构。就算合并能解释矮卫星星系的空间分布，却无法解释矮卫星星系中包含了太多的暗物质。这时也许需要一种非标准的暗物质模型，来解释暗物质主导的矮星系为什么会沿着一个平面分布。

对于现在已知的差别，数值模拟的结果和观测结果都还很初级。如果我们假设观测结果或者数值模拟有一个是错的，其中一些问题就能被解决。更高精度的数值模拟也许会证明原来结果的不准确，或者我们对普通物质的行为了解不足，比如超新星对结构形成的影响。在这种情况下，保守的暗物质模型也许可以解释现在在宇宙中观测到的结构，甚至不用对暗物质的性质做任何修改。但如果问题依然存在，这种差别会让人怀疑最简暗物质模型的可靠性，并进一步说明我们需要更加复杂的暗物质模型。

仔细观察现有的结果，来自20世纪90年代的一些记忆也许会让我们稍微振作一点。早期的数值模拟结果与观测数据非常不符，因为当时并没有引入暗能量。许多科学家都有类似的想法：这些早期的数值模拟和观测结果都不可信，人们需要不断改进观测和数值模拟的结果，来使理论预言和观测数据符合得更好。当人们把暗能量（一个全新的发现）加入到数值模拟中时，理论和观测的不符消失了。为此，我们应该向这些早期的数值模拟致敬，正是这些数值模拟给出的精确结果表明：想解决这些问题，人们需要考虑新事物。也许当今关于小尺度结构与观测不符的窘境和当时的情况类似，当我们发现宇宙中物质和能量的新的不为人知的物理学特性时，这个问题就会得以解决了。观测科学和计算科学在接下来10年的发展将带来新的结果。

尽管还没有确定的结论，很多天体物理学家和宇宙学家已经开始认真地研究这种小尺度的不吻合问题，而且已经开始研究暗物质粒子除了参与引力作用之外的其他相互作用的可能性。有些科学家甚至走的更远，例如，认为爱因斯坦的引力方程并非完全正确。尽管有一少部分物理学家专心于修正对引力的认识，但是我发现这个方向也许要比暗物质的相互作用更加让人难以置信。因为我前面已经讨论过，常规引力与暗物质作用的证据还是非常令人信服的。

解释类似于子弹头星系团的观测，是对修正引力最有难度的挑战。对于这种或者类似于这种正在合并的天体，在合并过程中那些相互作用较强的热气体会被留在天体的中间，而相互作用较弱的暗物质会相互穿过而留在天体的外部，这类观测的最佳解释就是，微弱作用的暗物质只参与了引力的相互作用。任何情况下，在考虑没有理论基础的激进变革之前，我们应该先考虑其他一些比较“乏味”的尝试。例如，有些理论预言也许给了我们误导的结果，比如普通物质在结构形成中的作用也许比我们想象的要大，或者暗物质的性质要比保守理论的期望复杂得多。

我最近参加了两个会议，会议的主题是小尺度结构问题和可能的解决方案。第一个是一个小规模的研讨会，是由在哈佛大学物理系粒子物理学领域的同侪组织的，主题是关于自相互作用暗物质。来自哈佛大学天体物理中心的天体物理学家们组织了第二个会议，会议的主题是“关于暗物质的辩论”，这个会议在2014年春天举行。幸运的是，这次辩论是关于本质而非看法。因为，有时过于强调看法也许会使讨论偏离科学性。

我认为这两次会议值得参加的原因是，它们给与会者提供了很多与来自哈佛大学的物理学家和天文学家交流的机会。哈佛大学天体物理中心是天文学家工作的场所，创建于1847年，位于坎布里奇城的最高点，主要用于存放一个直径大约为130厘米的望远镜，这在当时是最大的望远镜。尽管这个望远镜现在不再用做科学用途，但天文学家们依然在此工作。不过这使得天文学家和物理学家相隔2 000米左右，所以两帮人从未在饮水机旁或者咖啡机旁偶遇过。这个会议使得我们以及很多来自世界各地的物理学家和天文学家得以共处一处。

会议的主要成果是，它所展示的结果都是原创的，而且非常新颖。会议报告的题目涉及一些关于小尺度结构问题令人兴奋的证据，以及可能的解决方案。与会者对此也讨论了到底是对普通物质作用的错误估计导致了小尺度问题，还是像暗物质自相互作用这类新颖的理论可以解决小尺度问题。

会议报告讨论了，为什么普通物质可以在小尺度上影响结构的形成，并且在数值模拟中引入了普通物质，这算是小尺度问题最无新意的解决方案。但要解决观测和理论的差别，这一尝试还有很长的路要走。原来的数值模拟假设：暗物质主导动力学和宇宙的结构形成与演化，相反，普通物质只是简单地落入暗物质晕的引力势阱中。尽管普通物质会在恒星形成后照亮大质量、高密度区域，但普通物质除了可以点亮暗物质高密度区域外，它们对结构形成的影响可以忽略不计。

物理学家们则不这么认为，普通物质不会明显地影响结构的形成和演化，只是为了计算简单，而不能作为一种可靠的假设。就算今天，当天文学家们尝试着引入普通物质的一些作用时，也会同时引入大量的不确定性。根据现有的存储能力和计算能力，没人能够把所有物理细节都模拟到，所以天文学家们在做数值模拟时，需要做一些近似和假设。尽管目前数值模拟存在诸多限制，但引入普通物质的行为，确实缓解了一些小尺度结构不吻合问题。

几个效应改进了数值模拟和观测的不符合。标准模型下的普通物质除引力之外还存在其他相互作用，所以尽管它们原初的引力扰动相对小一些，但它们对结构的影响，尤其是小尺度结构的影响也许并不会那么小。例如，丢失的卫星星系问题的一个潜在解释是，这些卫星星系太暗了，我们还无法观测到。星系间气体可以被来自恒星的紫外辐射加热，这个辐射与普通物质相关。一旦这一过程发生，小质量的暗物质晕会很难再有效地吸积气体。如果这些暗物质晕没有足够的气体，它们就无法形成恒星，从而使得它们由于太暗而无法被现有的望远镜观测到。

超新星爆发

它是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。它所产生的亮度足以照亮其所在的整体星系。超新星爆发所释放出的能量会电离和加热星系外围的气体。

卫星星系不足以及星系中心核结构问题的另一个解释是，超新星爆发会把宿主星系内部的一部分质量推出去，这样宿主星系核结构的密度就会被大大地降低。这使得星系中心的暗物质分布和城市中心的人口分布具有一定的可比性。例如，城市中心若发生骚乱，暴力事件发生过后，会使附近的人口停止增长，且留下一个荒芜的核心。星系中心会发生非常多的超新星爆发，而这些超新星爆发不会使中心密度增长，这个效应的结果要比人口稀少的城市中心更加明显。

进一步说，超新星爆发所释放出的能量会电离和加热星系外围的气体。这个效应会吹走本应在暗物质子结构中形成恒星的气体。这些被吹走的气体会围绕一些更大的暗物质晕运动，或者阻止其他气体落入暗物质晕的引力势阱并形成恒星。这些外围矮星系会相应地具有比较少的普通物质而且也许会更暗，从而使它们更难被观测到。

支持与反对普通物质在小尺度结构形成中更大效应的证据，会随着计算能力和研究方法的改进而不断演化。这两次会议上还出现了几个很有意思的讨论，尽管这些讨论是由粒子物理学家提出的，天文学家们却非常开心与欣慰。因为这里每个人都希望寻找到正确答案，并不只是为维护自己的领域，而图一时口舌之快。尽管这些强调重子物质重要性的人指出，重子物质也许不是解决所有差异的万能钥匙。例如，小尺度结构问题存在于独立矮星系的时候，超新星爆发对结构形成的反馈非常之小。如果这一论点是正确的，那么根据目前的观测，一些超越普通暗物质的模型仍然有必要讨论。尽管与会的每个人都同意，普通物质的引入是解决数值模拟和观测数据差异的正确方向，但物理学家和天文学家都意识到，想要彻底解决丢失的卫星星系问题，对于标准无相互作用暗物质模型的大幅度修正，也许是必要的。

当数值模拟和观测数据相碰撞时，会发生有意思的问题，所以修改暗物质模型来解决这些问题也变得有意思起来。最让人感兴趣的可能性便是，以前无相互作用的暗物质模型是错误的，而暗物质的自相互作用会影响宇宙中的结构形成。这种可能性会启发物理学家研究暗物质粒子的自相互作用、可能存在的作用力。不管结果如何，已有的观测以及不断改进的数值模拟，都可以告诉我们越来越多有关暗物质的性质。就算前面讨论的问题不存在，我们依然可以更好地理解暗物质的性质，以及暗物质和普通物质是如何影响宇宙结构的形成与演化的。但如果这些问题依然存在，也可以证明暗物质自相互作用存在的合理性。

自相互作用暗物质算是一项比较可靠的建议，部分原因是，我们对暗物质的性质知之甚少。就像普通物质会参与像电磁相互作用一样的引力之外的相互作用一样，暗物质也有可能参加除引力之外的相互作用。尽管常见的假设是，暗物质会参与引力作用，并有可能与重子物质存在非常弱的相互作用，但现有的暗物质直接探测装置，并不会告诉我们有关暗物质自相互作用的任何信息。自相互作用的暗物质粒子会吸引还是排斥其他暗物质粒子，都和我们熟悉的物质完全不同。暗物质可能参与的是目前为止还没有被观测到的黑暗之力，只会影响暗物质粒子，而不会影响普通物质。就像电磁力只能作用于普通物质一样，黑暗之力只能作用于暗物质，这样，暗物质粒子和普通物质粒子最终彼此依然是毫不相干的。

自相互作用暗物质与普通物质一样，具有一定的社交性，同时又具有一定的排外性，即它们只和同类相互作用。暗物质粒子可能只会散射其他暗物质粒子，但是普通物质对于暗物质来说是隐形的，就像暗物质对于普通物质是隐形的一样。因为暗物质直接探测只寻找暗物质与普通物质的相互作用，所以自相互作用并没有被排除掉，并且这个假设还可能支持结构形成的相关研究。

如果暗物质确实是自相互作用的，那我们对其性质知之甚少。但我们可以推断：存在于暗物质粒子之间的力以及暗物质粒子的自相互作用力，不可能非常强。还记得那个存在于由普通星系团合并，而产生的子弹头星系团中非常著名的暗物质信号么？这个例子很好地限制了暗物质与其他物质的碰撞强度。引力透镜的观测告诉我们，在一个星系团的暗物质穿过另一个星系团的暗物质晕时，整个过程几乎是没有阻挡的。因此会产生两个圆鼓鼓的结构，而气体却被留在中心区域。

如果所有暗物质都存在非常强的自相互作用，甚至和重子物质一样强，那么暗物质会像气体一样存在于中心区域。但双球状的外部结构告诉我们，暗物质并没有存在于中心区域，而是会穿过彼此。这并没有告诉我们，暗物质完全不自相互作用。但这确实限制了相互作用的强度和距离尺度。暗物质自相互作用的强弱也受星系形状的限制，因为星系的形状受暗物质自相互作用的影响也非常大。

这些并没有排除自相互作用暗物质存在的可能性。它们只是为自相互作用的强弱和形式设置了一些限制。就算遵循这些限制，暗物质的自相互作用在理论上讲，依然可以解决小尺度结构问题。参加这两个会议的报告人讲述了，为什么暗物质的自相互作用可以帮助我们部分地解决一些潜在的结构问题。例如，它们可以降低那些大质量卫星星系的中心密度，从而使理论和观测符合得更好。

例如，自相互作用暗物质可以解决星系中心密度被预言得过高的问题。在没有非引力相互作用时，暗物质运动得非常慢，容易落入已有结构的中心势阱，这使得暗物质晕中心的密度变得非常高。而互相排斥的自相互作用，会让暗物质粒子彼此分开，从而防止它们离得非常近。这就像在一个拥挤的火车站，每个人都被自己的行李围绕，那么人与人之间的距离就会保持在一个手臂的长度。暗物质粒子间的自相互作用会通过类似的过程，为各个粒子之间建立一个壁垒，这个壁垒可以防止暗物质的密度过高。

引入自相互作用的暗物质数值模拟确认了这一预言，并且确实产生了一个低密度的核结构。这些核结构具有平缓密度分布的内部区域，而不是产生类似于核-尖峰的高密度结构。物质的密度分布在向星系或者星系团的中心变化时，在暗物质粒子饱和之前，密度有一个快速提升，而饱和之后，密度则不会有明显的变化。现存的所有有关小尺度结构的问题，都可能通过引入暗物质的自相互作用得以解决。

自相互作用暗物质模型关于星系和星系团的预言，一定能在将来的观测和数值模拟中告诉我们关于暗物质以及星系的更多信息。并且，不同自相互作用模型的预言也会不同，这样通过比较数值模拟与观测的结果，我们甚至可以确定哪种自相互作用模型更加合理。

通过考虑不同的可能性，我们还可以根据大量有关宇宙中结构形状的数据，进一步了解其意义。也许暗物质存在自相互作用，从而影响了结构的形成和演化，所以数值模拟和观测会符合得更好。或者，也许普通物质在结构形成与演化的过程中，扮演了比理论预言更重要的角色，甚至比自相互作用暗物质的角色还要重要。我们可以在数值模拟和观测数据都足够可靠的时候，排除上述某种或全部可能性，并给出确定的答案。无论结果怎样，我们都可以从获得一些超越保守的弱相互作用大质量粒子模型探测实验的信息。

自相互作用暗物质本身虽然非常有趣，但它并不是我研究的重点，下一章我会着重介绍一下。毕竟，自相互作用暗物质和非自相互作用暗物质都不是唯一的可能性。就像当我们过于关注黑与白的时候，往往会忽略灰的存在，更不用说斑点和条纹了。如果我们相信暗物质要么不相互作用，要么完全相互作用，就会使我们忽略世界的多样性。下一章我会介绍一个有趣的新想法，即暗物质和普通物质一样复杂。也许，暗物质既有不相互作用的组分，又有自相互作用的组分，而这些组分会共同作用于宇宙结构的形成与演化。