我们天体邻居仙女座星系美丽的旋转风车提出了一个谜团。将其旋转速度之快应用已知的物理定律来解释星系盘的可见物质是无法解释的。按理说，星系显质量产生的引力应该导致外围的恒星移动得比实际速度慢。如果可见物质是全部，那么仙女座以及几乎所有此类快速旋转的星系根本就不应该存在。
宇宙学家认为，某种看不见的物质——暗物质——环绕并渗透仙女座和其他星系，增加了必要的引力，使其保持观察到的旋转状态。暗物质似乎贡献了宇宙质量的约 25%，它还可以解释宇宙的其他方面，包括星系团内星系极快的运动、两个星系团碰撞时产生的物质分布以及遥远星系的引力透镜（引力弯曲光线）的观测。
最简单的暗物质理论假设存在一种尚未发现的粒子，贡献了看不见的质量。但是，尽管数十年来一直在寻找暗物质粒子的直接证据，但没有人能够证明它的存在。此外，天文观测与这种简单理论之间仍然存在一些差异。这些残留分歧与未能探测到这种难以捉摸的物质相结合，导致一些科学家质疑传统理论，并想象出更复杂的暗物质形式。暗物质可能不是由单一类型的粒子组成，而是由更广泛的暗物质种类组成。毕竟，普通物质以多种形式存在——也许暗物质也同样复杂。
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在过去的几年里，科学家们越来越怀疑存在几种不同种类的暗物质，甚至更令人感兴趣的是，以前未曾怀疑的力量强烈地作用于暗物质，而非常微弱地（或根本不）作用于普通物质。最近对碰撞星系的观测可能为这一假设提供了初步支持，并且这种力可能有助于解释基本暗物质模型与观测之间的一些差异。如果存在复杂的暗物质，它将构成比宇宙学家通常想象的更有趣和更复杂的宇宙。
隐藏的物质
虽然我们尚不知道暗物质是由什么构成的，但我们确实从观察到它如何影响正常物质以及对其引力效应的模拟中了解了它的一些特性。例如，它的移动速度必须远低于光速；否则，早期宇宙中存在的密度波动将不会导致今天观察到的星系结构。因为它不吸收或发射电磁辐射，所以它必须是电中性的。组成暗物质的粒子可能是大质量的，否则它们就必须以接近光速的速度移动，而早期宇宙的数据排除了这一点。它们不能通过将原子核结合在一起的强力相互作用；否则我们就会在暗物质与称为宇宙射线的高能带电粒子的相互作用中看到证据。直到最近，科学家们还认为暗物质可能通过弱力（导致放射性衰变）相互作用，但新的观测结果削弱了这种观点。（尽管暗物质仍然有可能经历弱力相互作用，但为了与观测结果一致，这种相互作用只有在除了暗物质之外还存在其他尚未探测到的粒子时才是合理的。）
我们还知道，暗物质必须在宇宙时间尺度上是稳定的。原因很简单：没有可信的机制可以持续产生暗物质；因此，暗物质必须是原始的，这意味着它起源于大爆炸。说粒子是稳定的隐藏着一个深刻的真理；它的稳定性告诉我们，它拥有一种“守恒”的性质——它无法改变——从而禁止粒子衰变，否则会改变守恒性质。我们可以通过调用熟悉的电荷来解释这个术语的含义，电荷确保电子是稳定的。物理学的一个真理是，粒子会衰变成更轻的粒子，除非有什么东西阻止这种衰变。电子带电，唯一已知的比它轻的稳定粒子是电中性的：光子和中微子。能量守恒允许电子衰变成这些物体，但由于电荷守恒禁止这种衰变，因此电子仍然是电子。
大多数暗物质理论假设暗粒子具有一个守恒量，由于历史原因，该守恒量称为宇称，暗物质粒子的宇称为 -1，所有其他已知粒子的宇称为 +1。然后，暗物质粒子被宇称禁止衰变成普通物质，因为如果暗实体消失而普通粒子出现，则宇称将不守恒。
物理学家概述的所有条件的最简单理论假设存在一种单一粒子负责暗物质，称为 WIMP，即弱相互作用大质量粒子。（这里的术语“弱”是在一般意义上使用的，不一定意味着弱核力。）WIMP 在许多理论原因上是有道理的，但事实证明它们比许多物理学家预期的更难找到。自 20 世纪 90 年代以来，科学家们一直在进行各种实验，旨在通过 WIMP 与普通物质非常罕见的相互作用来直接探测 WIMP。
为了达到必要的灵敏度，探测器被冷却到极低的温度并深埋在地下，以屏蔽无处不在的宇宙射线，宇宙射线会模拟暗物质信号。然而，尽管实验越来越强大，但仍未出现 WIMP 的确凿迹象。虽然 WIMP 模型确实解释了我们观察到的宇宙的许多方面，但它并没有解释所有内容。例如，WIMP 理论预测，应该有比银河系周围明显漩涡的小卫星星系多得多的数量，并且暗物质在星系中心应该比根据星系观测到的自转速度看起来更密集。然而，情况正在迅速发展——最近暗能量调查合作组织发现更多卫星星系表明，银河系矮星系的问题可能仅仅是许多星系尚未被发现。
但最终，这些 WIMP 缺点为更多非常规暗物质模型打开了大门。
复杂暗物质
人们可以想象，不是单一粒子构成所有暗物质，而是存在几种暗物质粒子，以及多种仅作用于暗物质的力。一种似乎可以调和所有观测和模拟的想法是暗物质粒子相互作用的可能性——本质上，暗物质粒子可能感受到彼此之间的力，而普通物质感觉不到这种力。例如，这些粒子可以携带一种新型的“暗电荷”，这种电荷会吸引或排斥它们，同时保持它们电中性。正如带有电荷的普通粒子可以发射光子（作为电磁力载体的光粒子）一样，带有暗电荷的粒子也可能发射“暗光子”——不是光粒子，而是以与光子与电荷相互作用相同的方式与暗电荷相互作用的粒子。
然而，与正常物质世界的相似之处必须在某个点结束。我们知道这一点的原因如下：假设黑暗世界的规则与我们的规则完全相同。在那个世界里，暗原子会形成并以与普通物质发射普通光子相同的速率发射暗光子。在我们的世界中，光子的发射允许能量交换，这也是星系最终松弛成盘状物体的原因。星系内部的气体云辐射电磁能，这导致云内部的物质聚集在一起。角动量守恒阻止物质收缩成一个点，但很容易形成盘状结构。如果控制暗物质行为的规则和力与我们的相同，那么暗光子的发射将导致所有暗物质星系形成扁平的盘状。然而，我们知道，解释我们熟悉的星系所需的大部分暗物质的分布更像是一个球形云。因此，我们可以排除暗物质的精确镜像世界。
尽管如此，仍然存在许多替代方案。例如，一小部分暗物质有可能反映我们宇宙的规则，而较大一部分暗物质的行为更像简单的 WIMP。或者，暗电荷可能实际上比我们电子和质子的电荷小得多，从而减少了暗光子发射。包括我们其中一位（Dobrescu）在内的理论家正在生成许多关于暗区可能存在的粒子和力的想法，使用现有数据来指导我们的思考并约束推测。最简单的场景之一——仅涉及两种暗物质粒子——让我们得以一窥复杂暗物质中可能运行的一些物理现象。
暗光子
想象一个存在两种暗电荷的世界——一种正电荷和一种负电荷。在这个模型中，存在一种暗电磁学，导致暗物质粒子发射和吸收暗光子。由于如假设的那样，这些粒子以类似于普通电磁学的方式带电，因此带正电和带负电的暗物质粒子应该能够相遇并湮灭成暗光子，就像普通物质粒子及其带相反电荷的反物质对应物在接触时湮灭并释放光子一样。
我们可以通过考虑这种力将如何影响星系，对暗电磁力的大小以及暗物质湮灭发生的频率得出一些结论。回想一下，星系具有扁平结构的原因是电磁学允许普通物质失去能量并沉降到盘状结构中。即使没有湮灭，这种能量损失也会发生。因为我们知道暗物质主要呈球形分布在大多数星系周围，并且不会坍缩成盘状，所以我们可以得出结论，它不能以普通物质相同的速率通过暗光子发射失去能量。在 2009 年发表的一项研究中，当时都在加州理工学院的 Lotty Ackerman、Matthew R. Buckley、Sean M. Carroll 和 Marc Kamionkowski 表明，这一要求意味着暗电荷必须非常小，约为电荷值的 1%。然而，即使在如此低的值下，这种力仍然可能存在并对星系产生重大影响。
暗星系
到目前为止，我们已经描述了一种由带电暗粒子及其带相反电荷的匹配物发射暗光子组成的暗物质版本。但这种情况与普通物质的复杂性相比仍然相形见绌。一个具有多种不同带电粒子的暗物质世界会是什么样子？
有许多复杂的暗物质理论包括两种或多种假设的暗粒子。哈佛大学的 JiJi Fan、Andrey Katz、Lisa Randall 和 Matthew Reece 在 2013 年提出了一个特别有趣的例子，他们将他们的模型称为“部分相互作用暗物质”。他们假设大部分暗物质是由 WIMP 组成的，但也假设一个小成分由两类称为费米子的粒子组成：一类重粒子，一类轻粒子，两者都带有暗电荷。（费米子是具有 ½ 量子力学自旋的粒子；在我们熟悉的世界中，质子、中子和构成它们的夸克都是费米子的例子。）由于暗费米子带有暗电荷，它们会发射暗光子并且可以相互吸引。
虽然必须非常谨慎，不要过度解释这种对应关系，但所提出的情况与假设暗质子、暗电子和暗光子来携带将它们结合在一起的暗电磁学大致相似。根据暗费米子的质量和电荷，它们可以结合形成暗原子，具有自己的暗化学、暗分子，甚至可能更复杂的结构。约翰霍普金斯大学的 David E. Kaplan、Gordan Z. Krnjaic、Keith R. Rehermann 和 Christopher M. Wells 在 2010 年详细探讨了暗原子的概念。
提出暗物质费米子想法的哈佛大学物理学家继续推导出可能与暗光子强烈相互作用的暗物质比例的上限，考虑到天文观测施加的约束。他们确定，它的累积质量可能与所有可见物质的质量一样大。在这个模型中，银河系由一个巨大的 WIMP 状粒子球形云组成，它贡献了总物质的 70%，环绕着两个扁平的盘，每个盘包含 15% 的物质。一个盘是普通物质，包括我们可以看到的旋臂，另一个盘由强烈相互作用的暗物质组成。这两个盘不需要完全对齐，但它们将具有相似的方向。在图中，暗物质星系基本上与我们熟悉的银河系共存于同一空间。一个警示：暗物质星系不包括暗恒星或大型行星，因为这些星系会通过它们对普通物质的引力透镜效应而被观察到。
这个想法听起来可能很激进，但我们星系中的额外盘不会对与之共存的普通物质宇宙产生太大影响。毕竟，为了正确，任何关于暗物质的理论都必须与现有可见物质的观测结果相一致。我们可能生活在这样的宇宙中而甚至不知道它。
实验前景
科学家可以像搜索 WIMP 一样搜索复杂暗物质：使用灵敏的地下探测器。部分相互作用暗物质模型的一个结果是，其物质集中盘大致位于银河系可见物质的同一平面上，因此通过我们探测器的这种形式的暗物质将比 WIMP 模型预测的更密集。增加的密度可能导致这些探测器比传统理论预测的更有可能发现暗物质。
除了进行此类实验外，物理学家还希望在粒子加速器中制造暗物质，以及在那里产生的所有其他奇异粒子。因为我们对暗物质如何与普通物质相互作用知之甚少——因此加速器内部的哪些特定过程可能导致暗物质产生——科学家们已经开始了一项广泛的调查计划。该计划对各种暗物质模型都很敏感，从简单的 WIMP 到更复杂的暗区，尽管我们必须做出一些假设，例如暗物质通过比重力（所有已知力中最弱的力）强得多但又弱到尚未被观察到的力或力与普通物质相互作用。这种假设是必要的，因为如果暗物质仅通过引力相互作用，我们将永远无法在任何可以想象的加速器中创造它，也无法在任何直接搜索中看到它。这种力将不同于暗物质可能通过其自身相互作用的类电荷力。
位于日内瓦附近 CERN 的大型强子对撞机 (LHC) 是世界上能量最高的加速器，这使其在寻找更重的暗物质版本（粒子质量越大，在加速器内部产生它所需的能量就越多）以及暗物质粒子（其相互作用随着能量升高而变得越来越频繁）方面具有优势。因为我们已经知道暗物质只能非常微弱地与普通物质相互作用，所以我们不能期望在由普通物质制成的探测器中直接观察到它。相反，科学家们通过寻找能量缺失的碰撞来寻找暗物质。例如，两个质子可能会碰撞并产生一些普通粒子或粒子从碰撞的一侧逸出，而另一侧则产生几个暗物质粒子。此类事件的特征是在探测器一侧观察到能量，而在另一侧则没有任何东西。科学家们计算出，如果不存在暗物质，预计会有多少次碰撞会显示出这种引人注目的配置，然后查看是否存在超出预期的碰撞次数。
到目前为止，LHC 内部尚未出现此类过量的迹象——这表明暗物质与普通物质的相互作用必须非常罕见（如果它们确实发生的话）。但是，随着 LHC 升级后的更高能量的第二次运行于今年春天开始，最近出现了一个看到暗物质迹象的新机会。这意味着本世纪的发现可能指日可待。
除了我们刚刚描述的适用于寻找 WIMP 和复杂暗物质的暗物质搜索之外，一些方法更具体地针对复杂暗区。其中许多方法都在寻找暗光子。一些模型表明，暗光子可以通过量子力学定律不断地转化为普通光子并再次转化回来，这可能为看到由此产生的光子提供了机会。其他模型表明，某些暗光子具有非零质量（在这种情况下，“光子”一词的使用被延伸了，因为它们不同于熟悉的无质量光子）。如果暗光子具有质量，它可能会衰变成更轻的粒子。而且由于这种暗光子可以短暂地转化为普通光子，因此在转化过程中，它有很小的机会产生电子及其反物质对应物对，或者类似地产生μ子（电子的表亲）的物质-反物质对。
因此，包括我们其中一位（林肯）是成员的项目在内的实验合作，正在寻找产生电子-正电子对或μ子-反μ子对的碰撞。此类研究正在 LHC 和其他加速器设施中进行，例如意大利弗拉斯卡蒂国家核物理研究所的 KLOE-2 项目、弗吉尼亚州纽波特纽斯托马斯杰斐逊国家加速器设施的重光子搜索 (HPS) 实验以及 SLAC 国家加速器实验室的 BaBar 探测器实验——科学家们甚至在挖掘 SLAC 已知为 mQ 的实验十多年前采集的数据。
另一种有趣的方法是利用伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室来尝试制造暗物质粒子束。费米实验室目前正在产生强烈的中微子束，射向遥远的探测器。中微子是非常轻的亚原子粒子，基本上只通过弱核力相互作用。如果暗物质通过像暗光子这样的粒子与普通物质相互作用，那么暗物质有可能在相同的束流中产生，并且有可能在费米实验室的 MiniBooNE、MINOS 或 NOvA 探测器中被探测到。
最后，科学家们可以寻找天文迹象，表明暗物质在星系碰撞等情况下正在相互作用。在这种情况下，当一个星系的暗物质猛烈撞击另一个星系的暗物质时，粒子可能会通过交换暗光子而相互排斥。对星系碰撞的多项研究未能找到这种现象的证据，但就在几个月前发表的对星系团 Abell 3827 的观测结果（该星系团特别靠近地球且方向良好）暗示了这样一种模式。有必要对该星系团和其他星系碰撞进行进一步观测以确认信号，但迄今为止来自该星系团的数据对于复杂暗物质模型而言看起来很有希望。
宇宙难题
毫无疑问，我们正面临一个深刻的难题。在大尺度上，普通的引力束缚物质的行为方式与已知的物理定律和观察到的质量分布不一致。由于这种不一致，大多数科学家都确信存在某种形式的暗物质。然而，这种物质采取何种形式已变得越来越有争议，因为我们的实验一再未能找到最简单的暗物质模型的证据。出于这个原因，并且由于简单的 WIMP 模型预测与天文观测之间存在一些持续的差异，复杂的暗物质理论正变得越来越有吸引力。这些模型为理论家提供了更多可调整的参数，从而提高了数据与理论之间的一致性。它们也更接近普通物质的变化和丰富性。
对这种方法的一个批评可能是，它过于努力地保持暗物质假说存活。这种情况是否可能类似于被否定了的本轮均轮的想法，16 世纪的天文学家试图通过不断调整一个有致命缺陷的理论来保持地心说？我们认为不是，因为暗物质非常好地解释了许多天文难题，并且没有先验的理由表明暗物质应该像 WIMP 假设那样简单。
真正的信息是，我们面前有一个谜团，我们不知道答案是什么。在我们找到答案之前，我们必须对无数种解释持开放态度，包括我们可能与黑暗的平行现实并存的迷人可能性。有没有可能暗物质科学家已经将注意力转向他们的天空，并且正在思考我们？