从「那里有东西」到「它是什么？」
在上一篇指南里，我们攒齐了「质量缺失」的整套案卷——平坦的星系自转曲线、在星系团内部窜得太快的星系，以及前景质量把背景光弯折得远超可见物质所能解释的程度。其中每一项都是一次引力测量，合在一起，其牢靠程度堪比天体物理学里的任何结论。但请留意它们所能证明的边界：它们告诉我们那外头*有多少*看不见的质量、它*坐在哪里*，却完全没说它*由什么构成*。本篇要迈出下一步、也是更难的一步——从「质量确实缺失」这一事实，走向「它的身份究竟为何」这一问题。
诚实的出发点是谦卑。暗物质眼下只是我们对自身无知的一个命名：一个占位符，代指「无论是什么、提供了那额外引力」的东西。从没有人捧过哪怕一克它、见过它发光，或在探测器里逮到过它。我们*能*做的，是审问它所产生的引力，追问什么样的物质能同时与全部证据相容，然后出门去猎捕这种物质。值得注意的是，这些线索已经排除了几乎所有省事的答案，并以出人意料的锐利，指向某种真正全新的东西。
两个把范围收窄的词：非重子、且冷
先从最诱人的那个无趣答案说起：也许缺失的质量，不过是恰好不发光的寻常物质——昏暗的恒星、寒冷的气体云、自由漂荡的行星、死去的恒星残骸。把这一切都称作重子物质，意思是它由质子和中子构成，与你、与太阳是同一种东西。问题在于，我们手上有两本彼此独立的账簿，记着宇宙到底含有多少重子，而两本都算出来远远不够。头一本是大爆炸核合成：在宇宙最初的几分钟里，所锻造出的氦、氘、锂的数量，敏感地取决于质子和中子的密度。实测的丰度把那个密度卡得很死——而它只占我们所需总质量的一小部分。
第二本账簿，来自早期宇宙的余晖，以及它那微弱温度涟漪的图样——也就是声学峰。这些峰的相对高度像一枚指纹，能分别读出宇宙含有多少*寻常*物质、又含有多少*总*物质。这两个数字相差大约五倍。两种方法从全然不同的物理出发，却抵达同一个裁决：寻常的重子物质，根本无法构成缺失质量的主体。无论暗物质是什么，它必定是非重子的——完全在质子和中子那张熟悉的名单之外。
第二个词是冷，它来自星系被搭建起来的方式。在早期宇宙里，暗物质的引力先聚起最初的团块，寻常气体后来落进这些团块，造出星系。倘若暗粒子诞生时就以接近光速运动——也就是「热」的——它们会自由地从小团块里流泻而出、把团块抹平，于是最小的结构只能先在极大的尺度上形成、再碎裂。可实际上，宇宙是自下而上搭建自己的：先有小星系，再并合成大星系。这就要求那些粒子在早期就已迟缓，好让它们的引力能把最小的种子拢到一起。这种慢吞吞的物质，我们称作冷暗物质，它正是「CDM」——被烤进我们这套宇宙标准模型里的那个字母组合。
几位领跑的嫌疑者
这份配方——非重子、冷、中性、几乎不相互作用——如此具体，以至于已知标准模型里没有任何一种粒子能套上。于是理论家转向那些被别的理论、出于完全无关的缘由所预言的粒子，追问其中是否有哪一个能兼任暗物质。三位嫌疑者一路领跑。长期以来的宠儿是WIMP，即弱相互作用大质量粒子：一种重粒子，质量也许是质子的几十到几百倍，只感受引力与弱核力。它的魅力，来自一个被称作「WIMP 奇迹」的优雅巧合——一种相互作用强度约莫等于弱力的粒子，由炽热的早期宇宙经冻结而遗留下来，其残存数量会自然而然地恰好适合充当暗物质。正是这个巧合，让 WIMP 在数十年间稳坐猎捕的头号目标。
第二位嫌疑者是轴子——一种轻若鸿毛的粒子，质量也许只有电子的万亿分之一，最初被设想出来根本不是为了宇宙学，而是为了抚平强核力理论里一道与此无关的褶皱。它会在早期宇宙中以庞大的数量、缓慢的运动被生产出来，这使它尽管质量微小，却仍算作冷的。第三位是惰性中微子，它是你在太阳那篇里见过的寻常中微子的一位更重、更腼腆的表亲；之所以「惰性」，是因为它连弱力都不理会，只凭引力和最微弱的混合与我们的世界打交道。每一位嫌疑者都动机充分、都可被检验，而且——这一点很要紧——它们彼此天差地别，这正是为什么我们需要靠实验、而非凭口味，来在它们之间做选择。
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.捉一个幽灵的三种法子
如果暗物质是一种此刻正穿过我们身体的粒子——而如果那团晕是真的，每一秒就有数十亿个从你身上穿过——那么原则上，我们能逮住一个。这场搜寻分作三套互补的策略，把每一套都想象成一幅画面会很有帮助。第一套是直接探测：造一台静得出奇的探测器，常常是一大缸液态氙，把它埋到地下一公里深处、躲开宇宙线的噪声，然后守候那难得一遇的轻轻一推——一个路过的粒子撞上某个原子核，留下一声能量的耳语。这正是暗物质探测的最前线，这些实验的靶材已增长到数吨之巨，却——迄今为止——什么也没看到。
第二套策略是间接探测。即便暗粒子从不碰我们的探测器，它们之中两个也可能偶尔在太空里相遇、湮灭，或者一个慢慢衰变，迸出一缕寻常粒子的细雾——伽马射线、正电子、中微子——那些是我们*看得见*的。于是望远镜紧盯着暗物质本应密密堆积的地方：银河系中心、矮星系、星系团的核心，搜寻那种寻常源头无法解释的过量辉光。第三套策略是对撞机制造：与其等暗物质找上门来，不如试着把它*造*出来。让质子以巨大的能量对撞，留意那些动量和能量凭空消失的事件——它们被一个新生的暗粒子悄无声息地带走，那粒子未被看见便飞出了探测器。
轴子需要它自己的一份巧思，因为它太轻了，撞不动一个原子核。诀窍在于，一道强磁场能诱使轴子转变成一个微弱的光子，于是一台「轴子晕镜」本质上就是一台调好的收音机，在恰好正确的频率上，倾听一声微波光的耳语。贯穿这一切的、关键而诚实的事实是：在每一条战线上，历经数十年愈发灵敏的搜寻之后，没有任何一台实验给出过经确认的暗物质信号。这并非失败——这正是这个领域收窄可能性的方式，它把大片 WIMP 的地盘排除掉，把猎捕推向轴子，以及更轻、更古怪的候选者。
又或者，搞错的是引力？
有一个严肃、可敬的替代方案，我们理应公平地听它一辩。万一根本没有任何质量缺失，而是我们的引力定律在星系外缘那种极其微弱的加速度区段里略有偏差，又当如何？这便是修正牛顿动力学（MOND）的主张：当加速度低于某个微小的阈值，引力就被调成比牛顿的平方反比衰减得更温柔。仅凭一个新常数，MOND 就把单个星系的平坦自转曲线复现得出奇地好——在某些地方比暗物质还利落，可调的旋钮也更少。倘若星系是唯一的证据，这本会是一场货真价实的较量。
但星系并非唯一的证据，而大多数宇宙学家正是在这里被真实粒子说服的。有三件事，MOND 应付得吃力，暗物质却能自然拿下。其一，它无法在不额外掺入*某些*看不见的质量的前提下，完全解释大型星系团内部星系的速度。其二，对早期宇宙余晖里的声学峰，它给不出干净的解释——那些峰的高度，要求存在一种不与光相互推搡的非重子成分。其三，也最为生动的，是子弹星系团：两个星系团被逮个正着，正撞到一半，其中炽热的气体——也就是大部分寻常物质——被减速，滞留在中间；而引力透镜却显示，质量的主体随着几乎无碰撞的星系径直穿了过去，与气体干干净净地分了家。
那么，这一切把我们留在何处？留在一份犀利的配方与一道尚未确认的菜肴之间。缺失的质量几乎可以肯定是非重子且冷的；领跑的候选者是 WIMP、轴子和惰性中微子；那些搜寻精巧绝伦，却迄今两手空空；而一小批审慎的人，仍把赌注押在修正引力上。这些都尚无定论。而*已*有定论的是：可见的宇宙——我们花了整整一门学科去认识的每一颗恒星、每一颗行星、每一个人——不过是一块大得多、也暗得多的蛋糕上那层薄薄的糖霜。下一篇指南将从我们看不见的物质，转向某种更为离奇的东西：一种暗*能量*，它不是把星系拉到一起，而是把整个宇宙越推越开、越推越快。