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，于尔班·勒维耶，他一直在研究天王星的运动，并得出结论，认为其路径无法用已知的引力作用来解释。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，加勒当晚来到他的望远镜前，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，我们可以收集到关于它们的一些基本事实。暗物质似乎是由充满不均匀空间的不可见粒子组成；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被看到的参与者，但诱人的线索，例如粒子探测器中的微小信号，仍在不断积累。
海王星最初被发现是天王星上的一个影子力量，后来被证明是一个引人入胜的世界。暗物质和暗能量的情况是否也一样？科学家们越来越认为，特别是暗物质，不仅仅是用来解释可见物质运动的权宜之计，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——一个完全与我们自己的宇宙悄然交织在一起的宇宙。
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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的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 比 1。星系和星系团嵌入在巨大的球体或“晕”状暗物质中。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的粒子组成，或者实际上，彼此之间也不相互作用。它们所做的只是为发光物质提供引力支架。
天文学家认为，晕在宇宙历史的早期形成，然后吸引了普通物质，而普通物质能够表现出丰富的行为，发展成复杂的结构，而暗物质由于是惰性的，因此保持了原始状态。至于暗能量，它唯一的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，它完全没有改变。
暗物质可能更有趣的前景，与其说是由天文学领域驱动的，不如说是由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闪光的传统，并且他们的证据完全独立于宇宙运动。
就暗物质而言，这一思路始于 20 世纪初放射性 β 衰变的发现。意大利理论物理学家恩里科·费米试图通过假设一种新的自然力和新的力载粒子来解释这种现象，这些粒子导致原子核衰变。这种新力类似于电磁力，新粒子类似于光子，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的。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，但在其他方面却被忽视。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，或者在粒子物理学的标准单位中约为 100 吉电子伏特。
这种新力现在被称为弱核力，而假设的力载粒子是 W 和 Z 粒子，它们是在 20 世纪 80 年代发现的。它们本身不是暗物质，但它们的性质暗示了暗物质。先验地，它们不应该如此重。它们的高质量表明，有某种东西在作用于它们——新的粒子，这些粒子使它们像鼓励您屈服于诱惑并再吃一块蛋糕的朋友一样获得质量。大型强子对撞机的目标之一是寻找这些粒子，这些粒子的质量应该与 W 和 Z 粒子的质量相当。实际上，物理学家认为可能有多达数十种类型的粒子等待被发现——每种已知粒子都有一种，以称为超对称性的排列配对。
这些假设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，并且几乎对普通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，取决于它们的数量有多少。粒子物理学的论证真正获得吸引力就在这里。像任何其他类型的粒子一样，WIMP 会在大爆炸的狂暴中产生。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。这个数字随时间变化，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，这减少了产生 WIMP 的可用能量，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，即大爆炸后约 10 纳秒，WIMP 的数量被冻结。宇宙不再有产生 WIMP 所需的能量，也没有摧毁它们所需的质量密集浓度。
鉴于 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），物理学家可以很容易地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符，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，由一个世纪前的粒子物理学难题驱动的粒子，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。一个快速计算预测，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，除非您非常幸运，否则没有一个粒子产生任何明显的影响。在一年中，您可能会期望只有一个 WIMP 从您细胞中的原子核散射出来，并沉积一些微薄的能量。为了有希望探测到此类事件，物理学家将其粒子探测器设置为长时间监测大量的液体或其他物质。天文学家还在星系中寻找辐射爆发，这标志着轨道运行的 WIMP 罕见的碰撞和湮灭。寻找 WIMP 的第三种方法是尝试在地面实验中合成它们。
超越 WIMP
现在投入大量精力进行 WIMP 搜索可能会给人留下这样的印象，即这些粒子是唯一在理论上合理的暗物质候选者。是这样吗？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。在表面之下可能潜伏着隐藏的世界，包括它们自己的物质粒子和力。
其中一项进展是甚至比 WIMP 更弱的粒子的概念。理论表明，在宇宙历史的最初十亿分之一秒形成的 WIMP 可能是不稳定的。几秒钟到几天后，它们可能会衰变成具有可比质量但不通过弱核力相互作用的粒子；引力是它们与自然界其他部分的唯一联系。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明显印记中推断出来。当被创造出来时，超 WIMP 将以接近光速的重要比例运动。它们需要时间才能静止下来，并且在它们静止下来之前，星系无法开始形成。这种延迟将减少物质在宇宙膨胀稀释之前吸积到星系中心的时间。因此，暗物质晕中心的密度应该揭示它们是由 WIMP 还是超 WIMP 组成的；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核并将它们分裂。有一些证据表明宇宙中的锂含量低于预期，超 WIMP 假设是解释这种差异的一种方法。
超 WIMP 方案也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；这种粒子的电荷与电子相同，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。
暗力，隐藏的世界
超 WIMP 模型的主要教训是，无论是理论上还是观测上，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。一旦承认存在性质超出标准 WIMP 方案的隐藏粒子的可能性，自然就会考虑所有可能性。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，其中包含电子和质子的隐藏版本，它们结合形成隐藏的原子和分子，这些原子和分子结合形成隐藏的行星、隐藏的恒星，甚至隐藏的人？
自 1956 年李政道和杨振宁在获得诺贝尔奖的论文中随意评论，以及最近由许多其他人（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）对隐藏世界可能与我们的世界相同的情况进行了详细探讨。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现在是否正在通过他们的望远镜进行观察，并想知道他们的暗物质是什么，而实际上他们的暗物质就是我们？
不幸的是，基本观测表明，隐藏世界不可能与我们可见的世界完全相同。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，晕就会变平，形成像银河系那样的圆盘——具有尚未被看到的引人注目的引力后果。最后，与我们相同的隐藏粒子的存在会影响宇宙膨胀，改变早期宇宙中氢和氦的合成；成分测量排除了这一点。这些考虑强烈反对隐藏的人。
话虽如此，黑暗世界可能确实是粒子和力的复杂网络。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 的相同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方案。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，剩下正确数量的粒子来解释暗物质。这些模型预测，暗物质可能伴随着隐藏的弱力，甚至更引人注目的是，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。
这种“光”对我们是不可见的，因此暗物质仍然看不见。尽管如此，新的力可能会产生非常显着的影响。例如，它们可能会扭曲相互作用的暗粒子云。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，星系团的混合使暗物质在很大程度上没有受到干扰，这表明任何暗力都很弱。研究人员正在其他系统中继续寻找。
这种力还将使暗粒子彼此交换能量和动量，这一过程将倾向于使它们均匀化，并使曾经不对称的晕变成球形。对于矮星系来说，这个过程应该最明显，在矮星系中，暗物质移动缓慢，粒子彼此靠近停留，小效应有时间积累。小星系系统地比它们较大的星系表亲更圆的观测结果表明，暗物质通过新的力相互作用。天文学家才刚刚开始这些研究。
从一个黑暗事物到另一个黑暗事物
一个同样引人入胜的可能性是，暗物质与暗能量相互作用。大多数理论将两者视为不相关的，但没有理由它们必须如此，物理学家现在正在考虑两者如何相互影响。一种希望是，它们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的问题。暗能量大约是暗物质的三倍，但这个比率可能要大得多。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相互作用的方式相互作用。最近的模型允许甚至有时甚至要求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，暗物质将倾向于与它曾经交织在一起的任何普通物质分离。2006 年，时任加州理工学院的马克·卡米昂科夫斯基和时任加拿大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吞噬，天文学家认为它的暗物质和普通物质正在溢出到我们的星系中。他们计算出，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%，那么这两个组成部分应该会漂移开来，达到可观测的量。然而，目前的数据显示没有任何类似的情况。
另一个想法是，相互作用的暗物质和暗能量会改变宇宙结构的增长，而宇宙结构的增长精细地取决于宇宙的组成。包括我们中的一位（特罗登）与康奈尔大学的合作者雷切尔·比恩、埃安纳·弗拉纳根和伊斯特万·拉斯洛在内的许多研究人员已经使用这种约束来排除一大类模型。
尽管这些结果为空，但现在对于复杂黑暗世界的理论论证是如此引人注目，以至于如果暗物质最终只不过是一群未分化的 WIMP，许多研究人员会觉得更令人惊讶。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，有一天我们可能无法想象一个没有复杂而迷人的黑暗世界的宇宙。