“暗物质”这个标签概括了我们对宇宙中大部分物质本质的无知。它对宇宙质量预算的贡献是普通物质的五倍。但是我们看不到它。我们只能通过其对可见物质的引力影响间接地推断出它的存在。
宇宙学标准模型成功地解释了如今星系的引力增长及其成团，这是由无形粒子海洋中最初微小随机运动的原始涨落驱动的。但是这种“冷暗物质”实际上可能是不同粒子的混合物。它可能由弱相互作用重粒子、轴子等假想粒子，甚至是不与普通物质或光相互作用的暗原子构成。我们尚未探测到任何这些无形粒子，但我们已经测量了它们原始空间分布涨落的印记，表现为宇宙微波背景辐射（热大爆炸遗留下来的残余辐射）亮度在天空中的轻微变化。
许多实验正在天空中和实验室实验中寻找各种类型暗物质的迹象，包括大型强子对撞机。到目前为止，这项搜索尚未成功。除了特定类型的基本粒子外，原始黑洞作为暗物质的主要成分也基本上被排除，在小行星质量范围内，仍有一个有限的开放窗口等待被排除。
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在 2005 年的一篇论文中，我与 Matias Zaldarriaga 一起证明，冷暗物质粒子可以通过引力聚集，尺度小至地球质量。如此微小团块的证据尚未被发现；观测者仅研究了更大的系统，即像我们银河系这样的星系，它们以气体和恒星作为其内核，并被暗物质晕包围。
正如薇拉·鲁宾的开创性工作所揭示的那样，星系中气体和恒星的动力学确实暗示了在普通物质集中的内部区域之外延伸的晕轮中存在隐形质量。令人惊讶的是，像银河系这样的星系对暗物质的需求似乎只出现在外围区域，在这些区域中，加速度降至一个通用值以下，该值大致等于光速除以宇宙年龄。这是标准暗物质解释中一个意想不到的事实。通用加速度阈值的基本特性提出了可能性，也许我们不是遗漏了隐形物质，而是目睹了引力对低加速度下可见物质动力学的影响发生变化。
这是 莫迪凯·米尔格罗姆率先提出的想法，他在 1983 年提出了“修正牛顿动力学”（MOND）的唯象理论，以解释掉暗物质问题。值得注意的是，他提出的低加速度下修正动力学的简单方案，即使经过四十年的仔细审查，仍然非常好地解释了许多星系晕轮中近乎平坦的旋转曲线。正如在 MOND 中预期的那样，所有关于银河系大小星系的现有数据都显示，星系外围的环绕速度与普通物质（也标记为重子物质）总量之间存在紧密相关性，这体现了所谓的“重子 Tully-Fisher 关系”。在 1995 年的一篇论文中，我与我的第一位研究生丹尼尔·艾森斯坦一起证明，在标准暗物质解释中，这种关系的紧密性并非易于解释。即使暗物质存在，MOND 也提出了一个根本问题：为什么暗物质粒子会为星系的动力学引入一个基本加速度尺度？这是关于它们本质的重要线索吗？
MOND 在大于星系的尺度上面临挑战。更巨大的系统，如星系团——弗里茨·兹威基最初假定暗物质的存在并创造了它的名字——显示了缺失质量的证据，即使它们的加速度往往高于 MOND 中的阈值尺度。此外，在宇宙微波背景辐射的亮度涨落中以极高精度检测到的声波振荡，暗示除了通过电磁相互作用紧密耦合的普通物质和辐射流体之外，还存在一种自由流动的主要物质成分。
但是最小尺度呢？最近，我与我的博士后穆罕默德·萨法扎德一起研究了来自 盖亚巡天的超暗矮星系（银河系的卫星星系）的最新可用数据。我们表明，它们的行为偏离了 MOND 的预期。就像星系团一样，矮星系似乎也反驳了 MOND 在所有尺度上的普遍性。
MOND 在银河系尺度上的成功及其在更小和更大尺度上的失败，是否为我们提供了关于暗物质本质的新见解？一种可能性是暗物质具有强自相互作用，并避开星系核。在 2011 年的一篇论文中，我与尼尔·韦纳一起证明，类似于带电粒子之间电力的暗区相互作用可以促进暗物质避开星系核，而在星系团特征的高碰撞速度下，这种效应会减弱。
我在 2018 年与朱利安·穆尼奥斯一起在论文中提出的另一种可能性，受到EDGES 实验的启发，该实验报告了宇宙黎明时期氢原子意外的过度冷却。我们表明，如果一些暗物质粒子具有少量电荷，它们可能会散射普通物质，并将氢原子冷却到低于预期的水平，正如报告的那样。
通过推测一部分暗物质粒子略微带电来解释一个异常现象，远比通过推测星际物体‘奥陌陌’是被阳光推动的薄膜来解释六个异常现象更具推测性。然而，与寻找外星文明的技术特征相比，关于暗物质本质的推测获得了更多的联邦资金和主流合法性。
我们需要更明确的线索来弄清暗物质的本质。希望未来几十年能为这个宇宙谜团带来解决方案，让拼图的碎片各就各位。或者，我们可能会寻找宇宙街区里更聪明的孩子，他们会在我们耳边低语答案。虽然这可能感觉像考试作弊，但请记住，没有老师在视线范围内看着我们。
这是一篇观点和分析文章。