從「那裡有東西」到「它是什麼？」
在上一篇指南裡，我們攢齊了「質量缺失」的整套案卷——平坦的星系自轉曲線、在星系團內部竄得太快的星系，以及前景質量把背景光彎折得遠超可見物質所能解釋的程度。其中每一項都是一次重力測量，合在一起，其牢靠程度堪比天體物理學裡的任何結論。但請留意它們所能證明的邊界：它們告訴我們那外頭*有多少*看不見的質量、它*坐在哪裡*，卻完全沒說它*由什麼構成*。本篇要邁出下一步、也是更難的一步——從「質量確實缺失」這一事實，走向「它的身份究竟為何」這一問題。
誠實的出發點是謙卑。暗物質眼下只是我們對自身無知的一個命名：一個佔位符，代指「無論是什麼、提供了那額外重力」的東西。從沒有人捧過哪怕一克它、見過它發光，或在探測器裡逮到過它。我們*能*做的，是審問它所產生的重力，追問什麼樣的物質能同時與全部證據相容，然後出門去獵捕這種物質。值得注意的是，這些線索已經排除了幾乎所有省事的答案，並以出人意料的銳利，指向某種真正全新的東西。
兩個把範圍收窄的詞：非重子、且冷
先從最誘人的那個無趣答案說起：也許缺失的質量，不過是恰好不發光的尋常物質——昏暗的恆星、寒冷的氣體雲、自由漂蕩的行星、死去的恆星殘骸。把這一切都稱作重子物質，意思是它由質子和中子構成，與你、與太陽是同一種東西。問題在於，我們手上有兩本彼此獨立的帳簿，記著宇宙到底含有多少重子，而兩本都算出來遠遠不夠。頭一本是大霹靂核合成：在宇宙最初的幾分鐘裡，所鍛造出的氦、氘、鋰的數量，敏感地取決於質子和中子的密度。實測的豐度把那個密度卡得很死——而它只占我們所需總質量的一小部分。
第二本帳簿，來自早期宇宙的餘暉，以及它那微弱溫度漣漪的圖樣——也就是聲學峰。這些峰的相對高度像一枚指紋，能分別讀出宇宙含有多少*尋常*物質、又含有多少*總*物質。這兩個數字相差大約五倍。兩種方法從全然不同的物理出發，卻抵達同一個裁決：尋常的重子物質，根本無法構成缺失質量的主體。無論暗物質是什麼，它必定是非重子的——完全在質子和中子那張熟悉的名單之外。
第二個詞是冷，它來自星系被搭建起來的方式。在早期宇宙裡，暗物質的重力先聚起最初的團塊，尋常氣體後來落進這些團塊，造出星系。倘若暗粒子誕生時就以接近光速運動——也就是「熱」的——它們會自由地從小團塊裡流瀉而出、把團塊抹平，於是最小的結構只能先在極大的尺度上形成、再碎裂。可實際上，宇宙是自下而上搭建自己的：先有小星系，再併合成大星系。這就要求那些粒子在早期就已遲緩，好讓它們的重力能把最小的種子攏到一起。這種慢吞吞的物質，我們稱作冷暗物質，它正是「CDM」——被烤進我們這套宇宙標準模型裡的那個字母組合。
幾位領跑的嫌疑者
這份配方——非重子、冷、中性、幾乎不相互作用——如此具體，以至於已知標準模型裡沒有任何一種粒子能套上。於是理論家轉向那些被別的理論、出於完全無關的緣由所預言的粒子，追問其中是否有哪一個能兼任暗物質。三位嫌疑者一路領跑。長期以來的寵兒是WIMP，即弱相互作用大質量粒子：一種重粒子，質量也許是質子的幾十到幾百倍，只感受重力與弱核力。它的魅力，來自一個被稱作「WIMP 奇蹟」的優雅巧合——一種相互作用強度約莫等於弱力的粒子，由熾熱的早期宇宙經凍結而遺留下來，其殘存數量會自然而然地恰好適合充當暗物質。正是這個巧合，讓 WIMP 在數十年間穩坐獵捕的頭號目標。
第二位嫌疑者是軸子——一種輕若鴻毛的粒子，質量也許只有電子的萬億分之一，最初被設想出來根本不是為了宇宙學，而是為了撫平強核力理論裡一道與此無關的褶皺。它會在早期宇宙中以龐大的數量、緩慢的運動被生產出來，這使它儘管質量微小，卻仍算作冷的。第三位是惰性微中子，它是你在太陽那篇裡見過的尋常微中子的一位更重、更靦腆的表親；之所以「惰性」，是因為它連弱力都不理會，只憑重力和最微弱的混合與我們的世界打交道。每一位嫌疑者都動機充分、都可被檢驗，而且——這一點很要緊——它們彼此天差地別，這正是為什麼我們需要靠實驗、而非憑口味，來在它們之間做選擇。
The recipe and the leading suspects:
REQUIRED: non-baryonic + cold + neutral + barely interacting
candidate rough mass scale how it's cold
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WIMP ~10-1000 x proton heavy + freeze-out
axion ~1e-12 x electron born slow, in bulk
sterile neutrino keV-ish (light, heavy
for a neutrino) mass keeps it slow
None is in the known Standard Model -> dark matter = new physics.捉一個幽靈的三種法子
如果暗物質是一種此刻正穿過我們身體的粒子——而如果那團暈是真的，每一秒就有數十億個從你身上穿過——那麼原則上，我們能逮住一個。這場搜尋分作三套互補的策略，把每一套都想像成一幅畫面會很有幫助。第一套是直接探測：造一台靜得出奇的探測器，常常是一大缸液態氙，把它埋到地下一公里深處、躲開宇宙線的噪聲，然後守候那難得一遇的輕輕一推——一個路過的粒子撞上某個原子核，留下一聲能量的耳語。這正是暗物質探測的最前線，這些實驗的靶材已增長到數噸之巨，卻——迄今為止——什麼也沒看到。
第二套策略是間接探測。即便暗粒子從不碰我們的探測器，它們之中兩個也可能偶爾在太空裡相遇、湮滅，或者一個慢慢衰變，迸出一縷尋常粒子的細霧——伽馬射線、正電子、微中子——那些是我們*看得見*的。於是望遠鏡緊盯著暗物質本應密密堆積的地方：銀河系中心、矮星系、星系團的核心，搜尋那種尋常源頭無法解釋的過量輝光。第三套策略是對撞機製造：與其等暗物質找上門來，不如試著把它*造*出來。讓質子以巨大的能量對撞，留意那些動量和能量憑空消失的事件——它們被一個新生的暗粒子悄無聲息地帶走，那粒子未被看見便飛出了探測器。
軸子需要它自己的一份巧思，因為它太輕了，撞不動一個原子核。訣竅在於，一道強磁場能誘使軸子轉變成一個微弱的光子，於是一台「軸子暈鏡」本質上就是一台調好的收音機，在恰好正確的頻率上，傾聽一聲微波光的耳語。貫穿這一切的、關鍵而誠實的事實是：在每一條戰線上，歷經數十年愈發靈敏的搜尋之後，沒有任何一台實驗給出過經確認的暗物質信號。這並非失敗——這正是這個領域收窄可能性的方式，它把大片 WIMP 的地盤排除掉，把獵捕推向軸子，以及更輕、更古怪的候選者。
又或者，搞錯的是重力？
有一個嚴肅、可敬的替代方案，我們理應公平地聽它一辯。萬一根本沒有任何質量缺失，而是我們的重力定律在星系外緣那種極其微弱的加速度區段裡略有偏差，又當如何？這便是修正牛頓動力學（MOND）的主張：當加速度低於某個微小的閾值，重力就被調成比牛頓的平方反比衰減得更溫柔。僅憑一個新常數，MOND 就把單個星系的平坦自轉曲線復現得出奇地好——在某些地方比暗物質還俐落，可調的旋鈕也更少。倘若星系是唯一的證據，這本會是一場貨真價實的較量。
但星系並非唯一的證據，而大多數宇宙學家正是在這裡被真實粒子說服的。有三件事，MOND 應付得吃力，暗物質卻能自然拿下。其一，它無法在不額外摻入*某些*看不見的質量的前提下，完全解釋大型星系團內部星系的速度。其二，對早期宇宙餘暉裡的聲學峰，它給不出乾淨的解釋——那些峰的高度，要求存在一種不與光相互推搡的非重子成分。其三，也最為生動的，是子彈星系團：兩個星系團被逮個正著，正撞到一半，其中熾熱的氣體——也就是大部分尋常物質——被減速，滯留在中間；而重力透鏡卻顯示，質量的主體隨著幾乎無碰撞的星系徑直穿了過去，與氣體乾乾淨淨地分了家。
那麼，這一切把我們留在何處？留在一份犀利的配方與一道尚未確認的菜餚之間。缺失的質量幾乎可以肯定是非重子且冷的；領跑的候選者是 WIMP、軸子和惰性微中子；那些搜尋精巧絕倫，卻迄今兩手空空；而一小批審慎的人，仍把賭注押在修正重力上。這些都尚無定論。而*已*有定論的是：可見的宇宙——我們花了整整一門學科去認識的每一顆恆星、每一顆行星、每一個人——不過是一塊大得多、也暗得多的蛋糕上那層薄薄的糖霜。下一篇指南將從我們看不見的物質，轉向某種更為離奇的東西：一種暗*能量*，它不是把星系拉到一起，而是把整個宇宙越推越開、越推越快。