1846年9月23日，柏林天文台台长约翰·戈特弗里德·加勒收到了一封信，这封信将改变天文学史的进程。这封信来自一位法国人，名叫于尔班·勒维耶，他一直在研究天王星的运动，并得出结论，认为天王星的路径无法用作用于它的已知引力来解释。勒维耶提出存在一个迄今未被观测到的物体，其引力以精确的方式扰乱了天王星的轨道，从而解释了异常的观测结果。根据勒维耶的指示，加勒当晚用他的望远镜观测并发现了海王星。
一个类似的戏剧——天文学家观察到异常的宇宙运动，推断出新物质的存在并去寻找它——今天在现代宇宙学中再次上演。在天王星的角色中，我们看到恒星和星系以它们不应该的方式运动；在海王星的角色中，我们推断出迄今未被观测到的物质的存在，暂且称为暗物质和暗能量。从我们看到的异常类型中，我们可以收集到一些关于它们的基本事实。暗物质似乎是充满空间的不均匀的隐形粒子海洋；暗能量均匀分布，并且表现得好像它被编织到空间本身的结构中。科学家们尚未重复加勒的成就，即用仪器指向天空并明确地瞥见未见的参与者，但诱人的迹象，例如粒子探测器中的闪烁，仍在不断积累。
海王星最初是被发现为天王星上的一个影子力，后来被证明是一个迷人的世界。暗物质和暗能量的情况是否也如此？科学家们越来越认为，特别是暗物质，不仅仅是为了解释可见物质运动而人为捏造的东西，而是宇宙隐藏的一面，拥有丰富的内在生命。它可能由一个名副其实的粒子动物园组成，这些粒子通过新的自然力相互作用——一个与我们自己的宇宙悄然交织在一起的完整宇宙。
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黑暗面
这些想法与长期以来认为暗物质和暗能量是宇宙中最反社会物质的假设有所不同。自从天文学家在 20 世纪 30 年代首次推断出暗物质的存在以来，他们一直认为惰性是其决定性特征。观测表明，它的质量是普通物质的 6 倍到 1 倍。星系和星系团嵌入巨大的暗物质球，或“晕”中。天文学家推断，如此大量的物质要逃避直接探测，就必须由几乎不与普通物质相互作用，甚至彼此之间也不相互作用的粒子组成。它们所做的只是为发光物质提供引力支架。
天文学家认为，光晕在宇宙历史的早期就形成了，然后吸引了普通物质，普通物质能够产生丰富的行为，发展成复杂的结构，而暗物质由于是惰性的，因此仍保持其原始状态。至于暗能量，其唯一作用似乎是加速宇宙膨胀，现有证据表明，在宇宙的生命周期中，它一直完全没有变化。
暗物质可能更有趣的前景，与其说是天文学领域驱动的，不如说是对原子内部运作和亚原子粒子世界的详细研究驱动的。粒子物理学家有从已知物质的行为中看到未知物质形式的蛛丝马迹的传统，并且他们的证据与宇宙运动完全无关。
在暗物质的情况下，思路始于 20 世纪初放射性 β 衰变的发现。意大利理论家恩里科·费米试图通过假设一种新的自然力和新的力携带粒子来解释这种现象，这些粒子导致原子核衰变。这种新的力类似于电磁力，新的粒子类似于光子，即光粒子——但有一个关键的转折。与无质量且因此高度移动的光子不同，费米认为新粒子必须是重粒子。它们的质量将限制它们的范围，并解释为什么这种力会导致原子核分裂，但在其他方面却不引人注意。为了重现观测到的放射性同位素的半衰期，它们必须相当重——大约是质子的 100 倍，或大约 100 吉电子伏特，以粒子物理学的标准单位计。
这种新的力现在被称为弱核力，假设的力携带粒子是 W 和 Z 粒子，它们在 20 世纪 80 年代被发现。它们本身不是暗物质，但它们的特性暗示了暗物质。先验地，它们不应该这么重。它们的高质量表明，有什么东西在作用于它们——新的粒子，这些粒子导致它们像一个朋友鼓励你屈服于诱惑并再吃一块蛋糕一样获得质量。大型强子对撞机的目标之一是寻找那些粒子，它们的质量应该与 W 和 Z 粒子的质量相当。事实上，物理学家认为可能还有数十种粒子等待被发现——每种已知的粒子都有一种，以称为超对称的排列方式配对。
这些假设的粒子包括一些统称为弱相互作用重粒子或 WIMP 的粒子。这个名称的由来是因为这些粒子仅通过弱核力相互作用。由于对主导日常世界的电力和磁力免疫，它们完全不可见，并且几乎对正常粒子没有任何直接影响。因此，它们是宇宙暗物质的完美候选者。
然而，它们是否真的可以解释暗物质，取决于它们的数量。粒子物理学的论证真正获得吸引力的地方就在这里。像任何其他种类的粒子一样，WIMP 会在大爆炸的狂潮中产生。当时的高能粒子碰撞既产生又摧毁了 WIMP，从而允许一定数量的 WIMP 在任何给定时刻存在。这个数字随时间而变化，具体取决于宇宙膨胀驱动的两种竞争效应。第一个是原始汤的冷却，这减少了可用于产生 WIMP 的能量，因此它们的数量减少了。第二个效应是粒子的稀释，这降低了碰撞的频率，直到它们有效地停止发生。在那时，大约在大爆炸后 10 纳秒，WIMP 的数量被冻结了。宇宙不再具有产生 WIMP 所需的能量，也不再具有摧毁它们所需的密集质量浓度。
考虑到 WIMP 的预期质量及其相互作用的强度（这决定了它们相互湮灭的频率），物理学家可以轻松计算出应该剩下多少 WIMP。非常令人惊讶的是，这个数字与今天解释宇宙暗物质所需的数字相匹配，在质量和相互作用强度估计的精度范围内。这种非凡的一致性被称为 WIMP 巧合。因此，一个世纪前粒子物理学中的一个难题所激发的粒子完美地解释了宇宙学观测。
这条证据线索也表明 WIMP 是惰性的。一个简单的计算预测，自从您开始阅读这篇文章以来，已经有近十亿个这样的粒子穿过您的身体，除非您特别幸运，否则没有一个粒子产生任何明显的效应。在一年中，您可能期望只有一个 WIMP 从原子核散射开来
在您的细胞中并沉积一些微薄的能量。为了有希望检测到此类事件，物理学家将其粒子探测器设置为长时间监测大量液体或其他材料。天文学家还在星系中寻找辐射爆发，这些爆发标志着轨道 WIMP 的罕见碰撞和湮灭。寻找 WIMP 的第三种方法是尝试在地面实验中合成它们。
胜过 WIMP
现在为 WIMP 搜索投入的巨大努力可能会让人觉得这些粒子是唯一理论上合理的暗物质候选者。它们是吗？事实上，粒子物理学的最新进展已经发现了其他可能性。这项工作暗示 WIMP 只是冰山一角。隐藏在表面之下的可能是隐藏的世界，包括它们自己的物质粒子和力。
其中一项进展是比 WIMP 更弱的粒子的概念。理论表明，在宇宙历史的第一个纳秒内形成的 WIMP 可能是不稳定的。几秒到几天后，它们可能会衰变为质量相当但不通过弱核力相互作用的粒子；引力是它们与自然界其余部分的唯一联系。物理学家开玩笑地称它们为超 WIMP。
这个想法是，这些粒子，而不是 WIMP，构成了当今宇宙的暗物质。超 WIMP 将逃避直接观测搜索，但可以从它们在星系形状上留下的蛛丝马迹中推断出来。当产生时，超 WIMP 将以接近光速的重要比例移动。它们需要时间才能静止下来，并且星系在它们静止下来之前无法开始形成。这种延迟将减少物质吸积到星系中心的时间，然后宇宙膨胀将其稀释。因此，暗物质晕中心的密度应该揭示它们是由 WIMP 还是超 WIMP 构成；天文学家现在正在检查。此外，从 WIMP 到超 WIMP 的衰变应该会产生光子或电子作为副产品，这些粒子可以撞击轻原子核并将其分解。有一些证据表明宇宙中的锂含量低于预期，而超 WIMP 假设是解释这种差异的一种方法。
超 WIMP 情景还激发了实验物理学家可能观察到的新可能性。例如，最初的 WIMP 不必是暗的或弱的；它可能带有电荷。它所带有的任何电荷都不会影响宇宙的演化，因为该粒子衰变得太快了。然而，这将意味着如果实验人员能够重新创造它们，WIMP 将非常引人注目。粒子探测器会将它们记录为类固醇上的电子；这种粒子与电子具有相同的电荷，但质量是电子的 100,000 倍，它会像炮弹一样穿过探测器，在其路径上留下壮观的轨迹。
黑暗力，隐藏的世界
超 WIMP 模型的主要教训是，无论从理论上还是观测上来看，都没有理由认为暗物质应该像天文学家倾向于假设的那样无聊。一旦承认存在具有超出标准 WIMP 情景属性的隐藏粒子的可能性，自然就会考虑各种可能性。是否可能存在整个隐藏粒子扇区？是否可能存在一个与我们的世界完全相同的隐藏世界，其中包含隐藏版本的电子和质子，它们结合形成隐藏的原子和分子，而原子和分子又结合形成隐藏的行星、隐藏的恒星甚至隐藏的人？
隐藏世界可能与我们的世界相同的可能性已被深入探讨，最早始于 1956 年李政道和杨振宁在诺贝尔奖获奖论文中的一句漫不经心的评论，以及最近包括澳大利亚墨尔本大学的罗伯特·富特和雷蒙德·沃尔卡斯在内的许多其他人的探讨。这个想法确实很诱人。我们所看到的暗物质是否真的是一个镜像我们世界的隐藏世界的证据？隐藏的物理学家和天文学家是否甚至现在也在通过他们的望远镜窥视，并想知道他们的暗物质是什么，而事实上他们的暗物质是我们？
不幸的是，基本观测表明隐藏世界不可能是我们可见世界的完全复制品。首先，暗物质比普通物质丰富六倍。其次，如果暗物质的行为像普通物质一样，光晕就会扁平化形成像银河系那样的盘状——会产生戏剧性的引力后果，但尚未观察到。最后，与我们相同的隐藏粒子的存在会影响宇宙膨胀，从而改变早期宇宙中氢和氦的合成；成分测量排除了这一点。这些考虑强烈反对存在隐藏的人。
话虽如此，黑暗世界可能确实是由粒子和力组成的复杂网络。在一项研究方向中，包括我们中的一位（冯）和夏威夷大学马诺阿分校的杰森·库马尔在内的几位研究人员发现，导致 WIMP 的同一超对称框架允许存在缺乏 WIMP 但具有多种其他类型粒子的替代情景。更重要的是，在许多这些无 WIMP 理论中，这些粒子通过新假设的暗力彼此相互作用。我们发现，这种力会改变早期宇宙中粒子的产生和湮灭速率，但数字再次表明，剩下的粒子数量恰好可以解释暗物质。这些模型预测，暗物质可能伴随着隐藏的弱力，甚至更令人惊讶的是，隐藏版本的电磁力，这意味着暗物质可能会发射和反射隐藏的光。
当然，这种“光”对我们来说是不可见的，因此暗物质对我们的眼睛来说仍然是黑暗的。尽管如此，新的力可能会产生非常显着的影响。例如，它们可能会导致暗粒子云在相互穿过时变形。天文学家已经在著名的子弹星系团中寻找这种效应，子弹星系团由两个相互穿过的星系团组成。观测表明，星系团短暂的混合在很大程度上没有扰乱暗物质，这表明任何暗力都不可能非常强。研究人员正在其他系统中继续寻找。
这种力还将允许暗粒子彼此交换能量和动量，这一过程将倾向于使它们同质化，并导致最初不对称的光晕变成球形。对于小星系（也称为矮星系）来说，这种同质化过程应该最为明显，在矮星系中，暗物质移动缓慢，粒子在彼此附近停留，小效应有时间积累。小星系系统地比它们较大的同类星系更圆的观测结果将是暗物质通过新力相互作用的明显迹象。天文学家才刚刚开始进行必要的研究。
从一种黑暗事物到另一种
同样有趣的可能是暗物质与暗能量相互作用。大多数现有理论将两者视为不相关的，但实际上没有理由必须如此，物理学家现在正在考虑暗物质和暗能量如何相互影响。一种希望是，两者之间的耦合可能会缓解一些宇宙学问题，例如巧合问题——为什么两者的密度相当。暗能量大约是暗物质密度的三倍，但这个比率可能曾经是 1,000 或一百万。如果暗物质以某种方式触发了暗能量的出现，那么这种巧合就说得通了。
与暗能量的耦合也可能允许暗物质粒子以普通粒子不具备的方式相互作用。最近的模型允许甚至有时强制暗能量对暗物质施加与对普通物质不同的力。在这种力的影响下，暗物质会倾向于与任何与其交织在一起的普通物质分离。2006 年，加州理工学院的马克·卡米翁科夫斯基和当时在加拿大多伦多理论天体物理研究所的迈克尔·凯斯登建议在被其较大的邻居撕裂的矮星系中寻找这种效应。例如，人马座矮星系正在被银河系肢解，天文学家认为其暗物质和普通物质正在溢出到我们的星系中。卡米翁科夫斯基和凯斯登计算出，如果作用于暗物质的力至少比作用于普通物质的力强或弱 4%，那么这两个成分应该会漂移分开一段可观测的距离。然而，目前的数据没有显示出任何类似的情况。
另一个想法是，暗物质和暗能量之间的联系会改变宇宙结构的生长，而宇宙结构的生长微妙地取决于宇宙的组成，包括其黑暗面。包括我们中的一位（特罗登）与康奈尔大学的合作者瑞秋·比恩、埃安纳·弗拉纳根和伊斯特万·拉兹洛在内的许多研究人员最近利用这种强大的约束来排除了一大类模型。
尽管有这些无效的结果，但现在关于复杂黑暗世界的理论案例如此令人信服，以至于许多研究人员会发现，如果暗物质最终只不过是一群未分化的 WIMP，那就更令人惊讶了。毕竟，可见物质包含丰富的粒子谱，具有由美丽的潜在对称性原理决定的多种相互作用，并且没有任何迹象表明暗物质和暗能量应该有任何不同。我们可能不会遇到黑暗的恒星、行星或人，但正如我们很难想象没有海王星、冥王星和甚至更远的物体群的太阳系一样，有一天我们可能也无法想象没有复杂而迷人的黑暗世界的宇宙。