暗能量：加速扩张

Linas Juozėnas

知识方舟 · 宇宙 · 第 09 章 / 第 07 篇

宇宙中还有更多东西。

恒星揭示星系发光的位置。它们的运动有助于揭示星系包含多少物质。在各个星系、碰撞星系团和早期宇宙中，引力都指向一种数量可观但身份仍未知的成分。

引力证据粒子搜索正在检验的想法

围绕发光星系的概念性晕。其颜色代表推断出的物质，而非发出的光。

约 85%在标准宇宙学模型的物质中，暗物质所占的比例。

约 27%如今宇宙总能量预算中暗物质所占的比例；暗能量是独立的成分。

身份未知天文学证据十分丰富。确定其背后的粒子或其他物理解释仍然是目标。

这些百分比是四舍五入后的、基于模型的宇宙平均值，并不代表每个星系的组成。[1]

暗物质：隐藏的质量

如何研究一种不会发光的东西？

先从它改变的事物入手：轨道的速度、光的路径，或星系在天空中的分布模式。

暗物质是对这些观测结果的一种物理解释。这些证据的理解与确定其成因是相关的任务，但并不是同一项成就。在发现这个不可见成分由什么构成之前，我们就能深入了解它的分布。

对引力缺失贡献的称呼

“暗物质”是什么意思？

在标准图景中，暗物质贡献质量并产生引力，但自身不会产生已确立的电磁信号。它并不像一团不透明的云，遮挡住其后的恒星。天文学家正是通过它的引力效应来定位它。[2]

“暗”这个词并不能证明它只通过引力相互作用。实验正在现有观测限制内，寻找它与普通粒子或光之间的微弱相互作用。[3]

它会不会只是我们遗漏的普通物质？

冷气体、暗淡的恒星、行星和恒星残骸都会贡献质量。天文学家在估算普通的，即重子成分时会将它们计入其中。但原初轻元素丰度和微波背景限制了宇宙中重子物质的含量。仅仅藏有更多原子，并不能满足 ΛCDM 所要求的规模大得多的暗成分。[4]

暗物质和暗能量回答的是不同的问题。暗物质会在晕等结构中通过引力聚集。暗能量是与宇宙加速膨胀相关的成分的名称；在最简单的模型中，它是宇宙学常数。[2]

运动提供了一种测量星系质量的方法

旋转曲线为什么重要？

1933 年，弗里茨·兹威基利用后发座星系团中星系的运动，提出其中的质量多于其光度所显示的质量。这一早期的星系团尺度线索早于后来对单个星系开展的旋转研究。[5]

旋转曲线绘制的是轨道速度与距星系中心距离之间的关系。与维拉·鲁宾及其同事相关的光学测量，加上对延伸至明亮恒星盘之外的氢进行的射电研究，帮助确立了许多星系外围的旋转曲线仍大致保持平坦。[6]

这一点很重要，因为质量的紧凑集中会预测：在距离其足够远的地方，轨道速度会下降。星系的明亮部分不能自动解释更外围测得的速度。在牛顿引力中，延展的暗物质晕提供了额外的引力贡献。[7]

这是计算得到的简化模型，而不是实测数据。两条曲线使用了相同的集中可见质量成分；加入延展的晕会改变预测的圆周速度。真实星系的旋转曲线各不相同，需要对其恒星、气体和几何结构进行建模。

轨道速度论证及其假设

v_c²(r) = G M(<r) / r

对于球形牛顿质量分布中的圆轨道，速度取决于半径 r 内所包围的质量。如果该质量实际上已不再增加，v_c 会随 r^−1/2 下降。相反，平坦的曲线意味着，在测量范围内，M(<r) 大致与 r 成正比增长。扁平的星系盘则需要更详细的计算。[7]

重要的是进行定量比较：测得的普通物质应该产生多大的引力，以及要解释这些运动需要多大的引力？旋转曲线在某个引力模型中揭示了差异；但仅凭它本身，并不能确定存在一种新粒子。

比较气体所在的位置与引力所在的位置

子弹星系团说明了什么？

引力透镜让天文学家能够根据背景天体图像的扭曲来推断质量。重建结果取决于引力、光源距离和观测到的扭曲，而不是前景物质的亮度。它测量的是视线方向上各处引力贡献的总和。[8]

在子弹星系团中，两个星系团彼此穿过。它们的热气体——普通物质中占比最大的部分——在碰撞过程中发生了强烈相互作用。星系大多彼此穿过。通过引力透镜推断出的主要质量集中区域更靠近星系，而不是移位后的气体。[9]

这是一幅受子弹星系团启发的示意图。不同颜色用于区分各个成分，并非暗物质的真实颜色。这种分离支持这样一种观点：存在一个占比相当大的成分，其行为不同于发生碰撞的等离子体。[9]

这是对仅基于观测到的普通物质的解释的一项有力检验。它无法揭示额外成分究竟是 WIMP、轴子，还是其他东西。同样，一次碰撞也不能证明暗物质与自身绝对没有相互作用。[10]

一种解释必须适用于差异极大的尺度

早期宇宙如何增强这一论据？

微波背景测量出宇宙的成分

宇宙微波背景通过包含声学峰的图样记录早期涨落。普通物质与辐射的相互作用方式不同于暗物质，从而在这些峰上留下了不同的影响。在六参数 ΛCDM 模型中，普朗克卫星的测量结果倾向于认为，冷暗物质的含量约为重子物质的五倍。[1]

开头的两个百分比使用了不同的总量：仅物质与当今宇宙的全部能量。暗能量计入第二个总量。两个百分比都不是直接从照片中读出的。[1]

从早期涨落到星系

不与气体强烈耦合辐射的暗物质，可能会在早期宇宙中以不同方式构建引力结构。模拟会追踪它形成晕和丝状结构的过程，同时气体落入其中、冷却并形成恒星。这将微波背景与后来形成的宇宙网联系起来。[11]

冷描述的是在相关结构成长时，相对于光速运动缓慢的粒子。这并不意味着今天的晕具有普通温度计所测得的低温。运动过快的粒子可能从小型密度聚集区中流出，从而抑制这些尺度上的结构形成。[12]

小型星系仍然是严苛的检验对象。恒星形成、气体外流以及其他普通物质过程都可能改变晕的中心结构，因此，与仅包含暗物质的模拟不一致，并不自动意味着整个模型失败。[13]

候选粒子会作出不同且可检验的预测

暗物质可能由什么构成？

WIMP：炽热早期宇宙的可能遗存

弱相互作用大质量粒子是一个广泛的候选者家族。在一种常见的热历史情景中，它们的产生和湮灭最初维持着平衡。随着宇宙膨胀，反应变得过于稀少，无法维持这种平衡，最终留下了一个遗存粒子群体：冻结析出。[14]

对于合适的质量和相互作用强度，最终丰度可以接近宇宙学推断的数值。这种巧合推动了相关搜索；但这并不意味着自然界必然存在某种特定的 WIMP。相比仅通过人们熟悉的弱力相互作用的粒子，在更多样的模型中也可能发生冻结析出。[14]

轴子：通往冷暗物质的另一条路径

提出QCD 轴子是为了解释强相互作用为何看起来如此严格地遵守 CP 对称性——这种对称性将一个过程与其镜像中的反物质对应过程联系起来。它可能作为暗物质的作用是一个额外结果，取决于其性质和产生历史。尽管轴子的质量极小，但它们可以以足够小的动量产生，从而表现为冷暗物质。[15]

类轴子粒子是一个更广泛的类别，并不一定要解决强 CP 问题。极其轻、具有波动性或“模糊”的暗物质模型属于这一更广泛的讨论范围；不应将它们与传统的 QCD 轴子视为可以互换的概念。[15]、[12]

其他粒子——以及原初黑洞

提出的候选还包括惰性中微子和隐藏扇区中的粒子，它们拥有各自的相互作用。不同的产生历史可能形成冷暗物质或较温暖的粒子群体。候选粒子必须同时解释其为何能有足够数量存留，以及其性质如何符合天文和实验室限制。[16]

原初黑洞提供了另一种可能性：它们是在早期宇宙中形成的致密天体，而不是由恒星死亡产生。包括引力微透镜和霍金蒸发在内的搜索对其贡献进行了限制。这些限制高度取决于质量和相关假设；这一设想既不是不受限制的解决方案，也没有在所有可能的质量范围内都被排除。[17]

不同仪器会检验不同的可能相互作用

科学家如何寻找它？

寻找粒子的三种互补方式
方法	测量内容	必须确立的内容
直接探测	可能与探测器原子核或电子发生相互作用；轴子搜索还会检验转换或其他场效应。	必须将信号与放射性、中微子和探测器背景区分开来。
间接探测	湮灭或衰变可能产生的产物，例如伽马射线、宇宙射线或中微子。	已知的天体物理源可以产生同类粒子。
加速器搜索	新粒子已经产生的迹象，包括测得的动量或能量不平衡。	必须将未观测到的产物与中微子和测量效应区分开来；其宇宙丰度仍是另一个问题。

每种方法都会检验特定的相互作用。零结果会限制实验能够探测的模型。[3]

LZ、XENONnT和PandaX等氙实验会寻找微小的能量沉积。其他探测材料和更低的阈值可以探测不同的质量和相互作用。因此，排除曲线回答的是一个有条件的问题：在分析假设下，哪些粒子质量与相互作用强度的组合本应产生信号？[18]

对于与光子耦合的轴子，强磁场可以促使其转换为电磁信号。共振搜索会扫描狭窄的频率范围，测试特定的质量和耦合，而不是一次性检验整个轴子概念。[19]

在其2026年7月的报告中，ADMX表示，在所报告的搜索中，没有任何候选谱线通过全部测试。该结果限制了特定的质量和耦合，并不排除所有可能的轴子。[19]

“中微子地板”是一个绝对限制吗？

中微子可以产生类似于某些暗物质信号的反冲。这种背景的不确定性可能会使进一步改进的速度大幅放缓，从而形成中微子雾。它并不是一道一旦超越就无法探测的普遍屏障。根据具体信号的不同，增加曝光量，以及获取反冲方向、时间信息或使用不同靶材料等方式，都可能有所帮助。[20]

一个有趣的事件是新一轮检验的开始

最新结果确立了什么？

搜索状态 · 2026年9月8日

LZ报告了一个无法解释的候选事件

2026年9月1日，LZ合作组宣布，在分析2023年至2024年期间收集的220个有效运行日数据时发现了一个异常事件。这项搜索扩展到了更高能量的原子核反冲，以及更广泛的WIMP相互作用类型。该合作组明确没有声称发现了暗物质。[21]

在考虑了所搜索的各种可能性范围后，报告的全局显著性为2.6σ。这表明该结果与指定的背景模型之间存在张力；它并不表示该事件“是暗物质”的概率。还需要更多数据和独立审查，才能确定其来源。[22]

这一结果尤其说明，有必要区分以下三种说法：测量到了一个事件；建模的背景难以解释该事件；暗物质相互作用导致了该事件。前两点可以推动进一步调查，但不能证明第三点。

绘图方面的进展是另一种发现

在2026年1月，研究人员利用詹姆斯·韦布太空望远镜发布了详细的COSMOS-Web弱引力透镜质量图。该图根据背景星系的形状，重建了约半平方度范围内的结构。这类图像有助于改进我们对物质分布的认识；它们并不能拍摄暗物质粒子，也不能确定暗物质的本质。[8]

加速器搜索也在通过数据分析和探测器开发持续进行。CERN 于2026年6月开始第三次长期停机（Long Shutdown 3），为高亮度大型强子对撞机做准备。未来的测量将检验更多相互作用和参数范围，但不能保证暗物质粒子就在可探测范围内。[23]

检验引力定律也是检验这一解释的一部分

引力的作用方式可能不同吗？

对额外物质的推断依赖于引力理论。因此，检验该理论同样是合理的。修正牛顿动力学（MOND）引入了极小加速度下的不同表现，并解释了星系旋转数据中的重要规律。[24]

一个引人注目的观测结果是径向加速度关系：盘状星系中测得的加速度，与牛顿引力根据其普通物质所预测的加速度密切一致，即使两者的大小相差很大。任何成功解释星系的理论都需要说明数据中的这种规律。[25]

解释星系轨道只是任务的一部分。一套完整的理论还必须预测引力透镜效应、星系团动力学、宇宙膨胀以及涨落的增长。最初的非相对论性 MOND 方案本身并未提供所有这些机制。[24]

说所有替代理论都无法解释微波背景过于宽泛。例如，Skordis 和 Złośnik 的相对论理论已证明，在宇宙学线性尺度上，它与宇宙微波背景和物质功率谱相符。这一结果应当根据其自身条件加以评估；它并不能证明每一种观测或每一种修正引力理论都取得了成功。[26]

有成效的比较应当考察一个定义完备的模型在多项独立测量中的表现，包括其额外假设和尚未解决的问题。对某一种现象的良好拟合是有价值的证据，但不能就此解决整个问题。

当一个想法能够作出明确的预测时，好奇心就成为了物理学

那么，全息原理或模拟宇宙呢？

全息原理是一种严谨的理论思想

在AdS/CFT等例子中，体积中的引力描述与具有较少时空维度的量子场描述相关联。这是对特定物理系统的不同描述之间所提出的一种等价关系。它并不是投射到我们周围环境中的真实图像，也不能凭此确定暗物质是什么。[27]

Verlinde 的涌现引力理论借鉴了熵和微观信息的思想，以推导出额外的引力响应。它试图解释通常归因于暗物质的效应。评估这一理论需要检验这些推导和预测；称某种解释为“全息的”不能取代这项工作。[28]

暗物质可能是模拟或宇宙实验的一部分吗？

这类情景可以作为哲学或虚构作品加以探讨。博斯特罗姆的模拟论证以关于未来文明和模拟心智的假设为条件；它不是天文探测结果，也不是星系质量模型。[29]

设想一个经过编程的晕，或一个被构建成某人实验的宇宙，尚不能解释其已测量的性质。要成为一种具有竞争力的科学解释，这一想法需要具体的机制，以及能够将其与其他模型区分开的预测。一个尚未回答的问题给我们留下了探索空间；但这并不意味着每个想象中的答案都能获得同等的证据支持。

暗物质问题之所以引人注目，恰恰是因为仍有如此多的现象等待解释。星系运动、引力透镜效应和早期宇宙的模式，为新思想提出了必须应对的目标。下一步进展可能会确认一种粒子、揭示一种意想不到的相互作用，或改变我们理论图景中的某个部分。它的力量将来自其能够串联起来的证据。

资料来源及延伸阅读

观测研究、粒子物理学研究和原创理论设想。资料核查于2026年9月。三幅插图均用于解释；旋转曲线是计算出的玩具模型。

普朗克合作组——《普朗克2018年结果。VI. 宇宙学参数》基准ΛCDM拟合通过宇宙微波背景辐射的声学模式和引力透镜效应，区分重子物质密度与冷暗物质密度。
NASA科学——暗物质介绍引力证据，以及暗物质与暗能量之间的区别。
Boveia和Doglioni（2018）——《对撞机上的暗物质搜索》解释对撞机搜索、直接搜索和间接搜索如何约束不同过程，以及为何需要依赖模型的比较。
Fields、Molaro和Sarkar——《粒子数据组2025：大爆炸核合成》原初轻元素丰度可独立于恒星亮度约束普通物质，并补充宇宙微波背景辐射对物质的普查。
Jo Bovy——《星系的动力学与天体物理学》，第6.1节：后发座星系团中的暗物质兹维基在1933年关于后发座星系团质量的论证早于现代星系旋转研究；后续研究修正了数值上的差异。
卡内基科学——Vera Rubin：为暗物质和 STEM 领域女性打开大门机构历史和出版物书目确立了 1970 年的仙女座研究以及 1980 年的三作者星系调查。
Jo Bovy——《星系的动力学与天体物理学》，§8.2：外星系的旋转曲线投影速度和恒星光如何约束旋转曲线，以及球状质量和盘状质量的不同计算方法。
Scognamiglio 等（2026）——（暗）物质的超高分辨率地图COSMOS-Web 弱引力透镜测量根据背景星系形状的畸变重建投影质量。
Clowe 等（2006）——暗物质存在的直接实证弱引力透镜峰追随星系，而非正在合并的子弹星系团中占主导的高温气体重子物质。
Markevitch 等（2004）——对暗物质自相互作用截面的直接约束子弹星系团对自相互作用施加了模型依赖的约束；它并未证明截面严格为零。
ESA 普朗克——宇宙结构形成史暗物质扰动先于重子物质坍缩；粒子自由流决定哪些宇宙结构能够形成。
Mikhail Shaposhnikov（2025）——宇宙学，《CERN 黄色报告》通过早期速度、自由流和结构形成解释冷暗物质、温暗物质和热暗物质。
Sales、Wetzel 和 Fattahi（2022）——重子解决方案与矮星系宇宙学模型面临的挑战矮星系检验需要结合气体和恒星反馈以及暗物质动力学；若干观测和建模方面的张力仍然存在。
粒子数据组（2026 年版）——暗物质，Baudis 和 Profumo解释热冻结、替代性产生机制，以及弱尺度 WIMP 论证的局限性。
粒子数据组（2026 年版）——轴子及其他类似粒子区分 QCD 轴子与更广义的 ALP，并解释冷暗物质的非热产生。
Jonathan L. Feng（2010）——粒子物理学中的暗物质候选者及其探测方法评述惰性中微子和隐藏扇区候选者，将产生历史与遗迹丰度及观测约束联系起来。
Gorton 和 Green（2024）——小行星质量原初黑洞窗口有多大开放性？表明小行星质量范围的原初黑洞暗物质窗口仍可能在约束下存续，具体取决于质量分布。
Billard 等（2021/2022）——暗物质直接探测：APPEC 委员会报告解释探测器目标、阈值、背景，以及暗物质排除曲线背后的模型假设。
ADMX / Andrew Sonnenschein（2026年7月23日）——使用 ADMX 搜寻轴子暗物质该合作组 2026 年 7 月的报告介绍了轴子—光子转换搜寻，并声明没有候选事件通过全部检验。
O'Hare（2021）——地平线上的迷雾：直接暗物质搜寻中中微子底的全新定义表明中微子背景使核反冲暗物质搜寻更加复杂，但并未设置绝对的发现障碍。
伯克利实验室（2026 年 9 月 1 日）——LZ 在搜寻暗物质时发现意外结果官方公告确认了一个引人关注的 LZ 事件，同时明确拒绝宣称发现了暗物质。
LZ 合作组（2026）——在扩展的核反冲能量窗口中搜寻暗物质粒子相互作用LZ 的主要分析量化了候选事件及其 2.6-sigma 的全局统计显著性。
CERN（2026 年 6 月 29 日）——CERN 向 LHC 告别并进入第三次长期停机CERN 宣布了为高亮度 LHC 做准备的停机与安装计划。
Famaey 和 McGaugh（2012）——修正牛顿动力学（MOND）：观测现象学与相对论扩展解释星系团中残余的质量差异，也说明为什么星系尺度的 MOND 现象学需要更广义的相对论理论。
McGaugh、Lelli 和 Schombert（2016）——旋转支撑星系中的径向加速度关系星系旋转数据展现出 MOND 所预期的紧密重子—加速度相关性，但并未唯一确定某一理论。
Skordis 和 Złośnik（2021）——一种新的相对论性修正牛顿动力学理论一种能够重现 CMB 和线性物质功率谱的相对论 MOND 理论说明了为什么必须分别评估各种替代理论。
Maldacena（1998）——超共形场论与超引力的大 N 极限奠基性的 AdS/CFT 提案将特定的引力描述与量子场描述联系起来。
Verlinde（2017）——涌现引力与暗宇宙一种受信息启发的理论，试图解释通常归因于暗物质的额外引力效应。
Bostrom（2003）——你是否生活在计算机模拟中？关于模拟观察者的条件性哲学论证，而非粒子模型或引力模型。

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