美丽的仙女座星系，我们的宇宙邻居，呈现出一个谜团。运用已知的物理定律来解释这个星系盘状结构的可见物质，无法解释其惊人的自转速度。按理说，星系显而易见的质量所产生的引力应该导致外围的恒星比实际速度慢。如果星系只有可见物质，那么仙女座星系——以及几乎所有此类快速旋转的星系——根本不应该存在。
宇宙学家认为，某种看不见的物质环绕并渗透着仙女座星系和其他星系，增加了必要的引力，使其保持观测到的旋转速度。这种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令人费解的方面，从星系团内星系极快的运动，到星系团碰撞时产生的物质分布，再到遥远星系引力弯曲光线的现象，即引力透镜效应。
最简单的暗物质理论假设，单一类型的粒子贡献了看不见的质量。但是，尽管进行了数十年的寻找暗物质粒子的直接证据，但没有人能够证明其存在。天文观测与这个简单的理论之间也仍然存在一些差异。
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一些科学家已经开始质疑传统的单粒子理论，并开始设想更复杂的暗物质形式。他们认为，也许存在各种各样的暗物质。毕竟，普通物质有多种形式——也许暗物质也同样复杂。
在过去的几年里，理论工作和对星系碰撞的观测都为暗物质有多种类型的观点提供了初步支持。更耐人寻味的是，这些进展暗示，以前未被察觉的力对暗物质有很强的作用，而对普通物质的作用非常微弱（或根本没有）。这些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。如果复杂的暗物质确实存在，它将创造一个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，但我们确实从观测到的暗物质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，我们知道暗物质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就不会导致今天观测到的星系结构。我们还知道暗物质必须是电中性的，因为它不吸收或发射电磁辐射。
组成暗物质的粒子可能是大质量的，否则它们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。它们不能通过强力相互作用，强力将原子核结合在一起；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（负责放射性衰变）相互作用，但新的观测结果削弱了这种观点。如果暗物质确实经历了弱力相互作用，那么似乎也必须存在其他尚未被发现的常规物质粒子。
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，这种物质必定起源于原始大爆炸。反过来，这暗示了一个深刻的事实：暗物质在数十亿年中的稳定性告诉我们，它具有一种“守恒”特性，这意味着它无法改变。并且它排除了暗物质粒子可能衰变的可能，因为这样做会改变守恒特性。
这种情况类似于我们熟悉的电荷，它确保了电子的稳定性。物理学的一个真理是，除非有某种东西阻止衰变，否则粒子会衰变成较轻的粒子。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。
在大多数暗物质理论中，暗粒子的守恒量被称为宇称，这是历史原因。暗物质粒子的宇称为-1；所有其他已知粒子的宇称均为+1。如果暗物质粒子衰变成普通物质，则宇称将不守恒。因此，这些理论假设暗粒子被禁止衰变。
物理学家概述的所有条件中最简单的理论是，一种单一粒子负责暗物质。他们称之为 WIMP，即弱相互作用大质量粒子。（这里的术语“弱”是广义上的使用，并不一定意味着弱核力。）WIMP 在许多理论原因上都有道理，但事实证明，它们比许多物理学家预期的更难找到。
自 1990 年代以来，科学家们一直在进行各种实验，旨在通过 WIMP 与普通物质之间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。它们也被埋在地下深处，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。
尽管 WIMP 模型确实解释了我们观测到的宇宙的许多方面，但它并不能解释所有内容。例如，WIMP 理论预测，应该有比实际出现在银河系周围的卫星星系多得多的卫星星系围绕银河系运行。这些理论还预测，根据星系观测到的自转速度，暗物质在星系中心应该比看起来更密集。然而，情况正在迅速发展。暗能量调查合作组织最近发现了更多的卫星星系，这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。
尽管如此，这些 WIMP 的缺点为更多非常规的暗物质模型敞开了大门。
复杂的暗物质
可能不仅仅只有一种暗粒子。另一种可能性是，存在几种类型的暗物质粒子，以及多种仅作用于它们的力。一种似乎可以调和所有观测和模拟的想法是，暗物质粒子通过某种普通物质无法感觉到的力相互作用。
例如，这些粒子可能携带一种新型的“暗电荷”，即使它们是电中性的，也会相互吸引或排斥。带有电荷的普通粒子可以发射光子（光的粒子，是电磁力的载体）。也许暗粒子带有暗电荷，可以发射“暗光子”——不是光的粒子，而是以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。如果暗世界的规则与我们的世界完全相同，那么暗原子将以与普通物质发射普通光子相同的速率形成和发射暗光子。我们从观察星系的形状中知道，这种情况不会发生。
光子发射和星系形状可能看起来没有关联，但它们是相关的。正是通过光子的发射，星系内部的气体云辐射出电磁能。这种辐射导致云内部旋转的物质聚集在一起，并最终松弛成盘状结构。
如果控制暗物质行为的规则和力与我们的规则和力相同，那么暗光子的发射将导致所有暗物质星系都形成扁平的盘状结构。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，暗物质的一小部分有可能镜像我们宇宙的规则，而其余部分的行为更像简单的 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，从而导致暗光子发射量大大减少。
理论家，包括我们中的一位（多布雷斯库），正在使用现有数据来指导我们的思考和约束推测，从而产生关于暗区可能的粒子和力的许多想法。最简单的场景之一只涉及两种暗物质粒子。它让我们一窥可能在复杂暗物质中运作的一些物理学。
暗光子
想象一个暗世界，其中存在两种暗电荷——一种是正电荷，一种是负电荷。在这个世界中，一种形式的暗电磁学允许暗物质粒子发射和吸收暗光子。暗粒子以类似于普通电子和反电子（又名正电子）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，就像电子和反电子在接触时湮灭并将它们的总质量转化为等量的光子一样。
通过考虑这种力将如何影响星系，我们可以对暗电磁力的大小——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圆盘中。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，并且不会坍缩成圆盘，所以我们可以得出结论，它不能以与普通物质相同的速率通过暗光子发射来损失能量。
在 2009 年发表的一项研究中，当时都在加州理工学院的洛蒂·阿克曼、马修·R·巴克利、肖恩·M·卡罗尔和马克·卡米昂科夫斯基表明，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，并对星系的结构产生重大影响。
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反粒子组成并发出暗光子的暗物质版本。但与普通物质的复杂性相比，这种情况仍然相形见绌。一个拥有多种不同带电粒子的暗物质世界会是什么样子？
许多复杂的暗物质理论都包含两种或多种假设的暗粒子。哈佛大学的季姬·范、安德烈·卡茨、丽莎·兰德尔和马修·里斯于 2013 年提出了一个特别有趣的例子，他们将自己的模型称为“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。但他们也假设，一小部分由两类暗费米子组成。（费米子是具有 1/2 量子力学自旋的粒子，例如质子、中子和构成它们的夸克。）该理论中的一种暗费米子是重型的，另一种是轻型的，但都带有暗电荷。因此，它们都发射暗光子，并且可以相互吸引。
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，尽管必须注意不要过度解读这种对应关系。如果暗费米子具有适当的质量和电荷，它们可能会结合形成具有自己暗化学、暗分子甚至可能更复杂结构的暗原子。约翰·霍普金斯大学的大卫·E·卡普兰、戈登·Z·克尔尼亚伊奇、基思·R·雷赫曼和克里斯托弗·M·韦尔斯于 2010 年详细探讨了暗原子的概念。
提出暗物质费米子的哈佛大学物理学家继续推导出暗物质中可能与暗光子强烈相互作用的部分的上限，考虑到天文观测施加的约束。他们确定，此类粒子的总质量可能等于所有可见物质的质量。
在这个模型中，银河系由一个巨大的球形 WIMP 状暗粒子云组成，它贡献了总物质的 70%，环绕着两个扁平的圆盘，每个圆盘包含 15% 的物质。一个圆盘是普通物质，包括我们可以看到的旋臂，另一个圆盘由强烈相互作用的暗物质组成。这两个圆盘不必完全对齐，但它们将具有相似的朝向。
在这个画面中，一个暗物质星系基本上与我们熟悉的银河系共存于同一空间。一个警告：暗物质星系不能包含暗恒星或大型行星。如果它包含，它们将对来自普通物质的光线造成引力透镜效应；尚未观察到这种效应。
这个想法听起来可能很激进，但我们星系中的额外圆盘对与其共存的普通物质宇宙几乎不会产生任何改变。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一个宇宙中，甚至都不知道。
实验前景
科学家们可以用与搜索 WIMP 相同的方法来搜索复杂的暗物质：使用灵敏的地下探测器。哈佛大学部分相互作用暗物质模型的一个结果是，任何穿过我们探测器的暗费米子的密度都将高于 WIMP 模型中预测的密度。如果正确，增加的密度可能意味着用这些探测器找到暗物质的概率高于传统理论预测的概率。
寻找此类暗粒子的工作正在进行中。物理学家也在粒子加速器上进行实验，希望制造出暗物质，以及高能碰撞产生的其他所有奇异粒子。因为我们对暗物质如何与普通物质相互作用知之甚少——因此也不知道加速器内部的哪些特定过程可能产生暗物质——所以调查计划是故意广泛的。它对从简单的 WIMP 到更复杂的暗区的模型都很敏感。
当然，我们必须做出一些假设。例如，如果暗物质仅通过引力相互作用，那么我们永远无法在任何可想见的加速器中创造它，也无法在任何直接搜索中看到它——引力太弱了。因此，科学家们假设暗物质通过一种或多种力与普通物质相互作用，这些力比引力强得多，但又足够弱，以至于尚未被观察到。我们应该注意到，这种连接暗物质和普通物质的力被认为与暗物质可能通过其自身相互作用的类电荷力不同。
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。这使其在寻找较重版本的暗物质时具有优势，原因有两个。首先，粒子的质量越大，在加速器中产生它所需的能量就越多。其次，暗物质粒子可能会随着能量的升高而更频繁地相互作用。
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。因此，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，科学家们一直在寻找碰撞中能量缺失的现象来搜索暗物质。
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。探测器将在一侧记录能量，而在另一侧记录不到任何能量。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惊人的配置。然后，他们检查是否超出预期。
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，即使它们确实发生。但是，随着 LHC 升级后的更高能量的第二次运行于 6 月开始，看到了暗物质迹象的新机会开始了。这意味着本世纪的发现可能就在眼前。
我们刚刚描述的暗物质搜索适用于寻找 WIMP 和复杂的暗物质。但是，其他正在开发的方法更专门针对复杂的暗区。其中许多方法都在搜索暗光子。
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变回暗光子，这可能为观察由此产生的光子提供机会。其他模型表明，某些暗“光子”具有非零质量（与熟悉的无质量光子截然不同）。如果暗光子具有质量，则它有可能衰变成更轻的粒子。如果暗光子确实可以短暂地转化为普通光子，那么在转化过程中，它有很小的机会产生电子和反电子对（也称为正电子）。或者，它可能会产生μ子（电子的表亲）和反μ子。
实验合作组织，包括我们中的一位（林肯）参与的项目，现在正在监测加速器碰撞中电子-反电子对或μ子-反μ子对的产生。除了在 LHC 进行的研究之外，这项工作还在意大利国家核物理研究所弗拉斯卡蒂国家实验室的 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实验以及加利福尼亚州门洛帕克 SLAC 国家加速器实验室的 BaBar 探测器实验中进行。科学家们甚至在挖掘十多年前 SLAC 一项名为 mQ 的实验中获取的数据。
我们在伊利诺伊州巴塔维亚费米国家加速器实验室的小组正在尝试通过向遥远的探测器发射强烈的neutrinos束来制造暗物质粒子。中微子是非常轻的亚原子粒子，它们基本上只通过弱核力相互作用。如果暗物质通过暗光子之类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，科学家们可以搜索天文迹象，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。对星系碰撞的几项研究未能找到这种现象的证据。但是，最近对特别靠近地球且方向良好的星系团 Abell 3827 的观测暗示了这种模式。需要对该星系团和其他星系碰撞进行进一步观测才能证实该信号，但到目前为止，来自该星系团的数据对于复杂的暗物质模型看起来很有希望。
宇宙难题
毫无疑问，我们正面临着一个深刻的难题。在大尺度上，普通的引力束缚物质的行为与已知的物理定律和观测到的质量分布不符。由于这种不一致，大多数科学家确信存在某种形式的暗物质。然而，随着我们的实验反复未能找到最简单的暗物质模型的证据，这种物质的形式变得越来越有争议。由于这个原因——以及简单的 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。它们也更接近正常物质的变化和丰富性。
对这种方法的一种批评可能是，它过于努力地维持暗物质假说。这种情况是否类似于被否定了的周转圆理论，即 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挽救地球在宇宙中的中心位置？我们认为不是。暗物质非常出色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 假说那样简单。
真正的信息是，我们面前有一个谜。我们不知道答案是什么。在我们找到答案之前，我们必须对无数的解释持开放态度，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，一个暗物质科学家已经将其注意力转向天空，并对我们感到好奇？