暗物质与暗能量

我们看不见的宇宙

当天文学家把所有能观测到的恒星、气体和尘埃加起来时，总量远远少于引力告诉他们必然存在的量。而且整个宇宙的增长方式，也与仅靠普通物质时应有的情形不符。

两个名称涵盖了这些空缺。暗物质是有引力但不发光的额外质量。暗能量则是推动宇宙随时间越来越快地膨胀的那种东西。

这里的“暗”只是表示未知、望远镜看不见。两者都不同于你在银河照片中看到的那些暗黑的尘埃云。

暗物质的证据

1933年，弗里茨·兹威基测量了后发星系团中的星系，发现它们运动得太快，可见物质根本无法把它们束缚在一起。20世纪70年代，薇拉·鲁宾和肯特·福特测量了旋涡星系中恒星的轨道运动。远离中心的恒星与靠近中心的恒星运动得一样快，只有当每个星系都位于一个巨大的、看不见的质量晕中时，这才说得通。

引力还会弯曲光线，这种效应叫作引力透镜。大质量星系团会把其后方星系的像扭曲成弧形，弯曲的程度揭示出的质量远多于可见物质所能提供的。

2006年被详细研究的子弹星系团，是一对相互穿过的星系团。X射线图像显示，占普通物质大部分的炽热气体在中间减速，而引力透镜显示大部分质量继续向前冲去。没有暗物质，就很难解释这种分离。

暗物质可能是什么？

暗物质似乎不发射、不吸收也不反射光，却有引力。大多数科学家认为，它由尚未被识别的粒子组成。

热门候选者包括WIMP，即几乎不与任何东西相互作用的重粒子，以及轴子，即极轻的粒子。深埋地下的探测器、粒子对撞机和太空中的仪器已经搜寻了几十年，截至2026年还没有确认的信号。

一小部分研究者转而探索修正引力理论，即引力在星系尺度上表现不同的观点。但到目前为止，还没有任何这类理论能像暗物质那样很好地解释所有证据，尤其是子弹星系团这样的案例。

暗能量与加速膨胀的宇宙

自20世纪20年代起，天文学家就知道宇宙在膨胀。大多数人预计，引力会随时间使膨胀减慢。

1998年，两个团队利用Ia型超新星，即亮度可预测的爆炸白矮星，测量了到遥远星系的距离。遥远的超新星看起来比预期的暗，这意味着在过去几十亿年里膨胀一直在加速。这一发现获得了2011年诺贝尔物理学奖。

最简单的解释是空间本身固有的一种恒定能量，接近爱因斯坦曾经提出的“宇宙学常数”。DESI等近期巡天暗示暗能量可能随时间变化，但截至2026年这一点仍在检验之中。

加起来：5%、27%、68%

把对宇宙微波背景，即大爆炸的微弱余晖的测量，与星系和超新星巡天相结合，会得出一份高度一致的“预算”。普通物质约占总量的5%，暗物质约27%，暗能量约68%。

这些比例是近似值，描述的是今天的宇宙。在早期宇宙中，暗能量的作用要小得多，物质占主导地位。

换句话说，宇宙中约95%的成分，我们能通过它们的效应来描述，却还无法说出它们是什么。

欧几里得及其他任务

欧洲空间局的欧几里得空间望远镜于2023年7月发射，美国航天局提供了它的红外探测器。它在距地球约150万千米的位置上，测绘约三分之一天空中数十亿个星系的形状和距离。

星系形状的微小扭曲描绘出我们与它们之间的暗物质，而星系随时间的分布模式则记录了暗能量如何拉伸空间。它的首批图像于2023年发布，首批巡天数据于2025年发布。

其他项目也在补充这幅图景，包括智利的薇拉·鲁宾天文台，以及已于2026年8月发射的美国航天局南希·格雷斯·罗曼空间望远镜。

未解之谜

暗物质是什么粒子，或者它到底是不是粒子？暗能量真的是恒定的，还是会变化？一种更深层的引力理论能否把两者联系起来？

回答其中任何一个问题，都很可能重塑物理学。目前，最好把暗物质和暗能量看作是对真实、已测量到的效应的精确标签，而它们的成因仍然未知。