宇宙微波辐射的来源？它如何为我们揭示暗物质存在的证据和比例

上一篇关于暗物质的文章主要说了，我们如何确信暗物质的存在，并且讨论了暗物质的替代方案，例如：对引力的修正。但最终还是夭折了！这也说明暗物质在解释宇宙大尺度结构上具有压倒性的优势。我们也知道暗物质贯穿了整个宇宙的发展史，关乎我们宇宙整个物质结构网的形成，甚至是我们未来的命运。其实暗物质，不仅通过旋转星系的问题可以得到印证，宇宙早期的微波背景也为我们揭示了关于暗物质的一些信息！

所以我们今天将聊一下宇宙微波背景辐射是如何揭示暗物质的存在、以及如何告诉我们暗物质的比例？首先我们先了解下微波背景是什么？它是怎么来的？

标准模型和广义相对论——人类掌握的两套基本法则

我们的一生都生活在一个由岩石构成的世界里，这个世界与众多行星一起围绕太阳运行，而太阳只是银河系中数千亿颗恒星中的一颗，而银河系又是组成我们可观测宇宙中数千亿颗星系中的一个。

我们深知宇宙的广阔和我们在其中的位置。但幸运的是：我们似乎已经掌握了控制宇宙的一些基本法则！例如：万有引力！

就引力而言，爱因斯坦的广义相对论解释了：从物质和能量如何使星光发生弯曲，到为什么时钟在强引力场中会运行减缓，再到宇宙如何随着年龄增长的而膨胀。广义相对论可以说是有史以来被测试的最充分、审查最彻底的科学理论，人们对理论的每一个预测都经过了精确的检验，但广义相对论还是承受住了各种质疑，在所有的实验和观测中都被证明是正确的。

另一方面，我们已经有了基本粒子和相互作用的标准模型，这个模型可以解释宇宙中目前已知的一切以及微观粒子所发生的其他力(核力和电磁力)。标准模型也可以说是有史以来最经得起检验和审查的科学理论。

这两个理论既然这么成功，你可能会想，如果我们对事物的理解是完美的，如果我们知道宇宙的结构，宇宙中的物质，以及宇宙所遵循的物理定律，我们是不是就能解释目前的一切？例如：我们拿着标准模型从宇宙大爆炸开始去模拟宇宙，应用我们掌握的自然法则，通过万有引力的作用，我们是否能得出一个和今天一样的宇宙模板？

事实可能总是那么不尽人意。我们并没有了解宇宙的一切，有很多问题我们还解决不了！上面的图片是宇宙的演化过程，但我们也深知这不是一切。

宇宙的正常物质由多少

大爆炸发生后，宇宙持续的膨胀和冷却。随着时间的推移，整个宇宙经历着不可抗拒的引力作用，一些极其重要的事件发生了，包括：（按时间顺序）

1. 第一个稳定原子核的形成，

2. 第一个中性原子的形成，

3. 恒星、星系、星团和大型结构的形成，

4. 以及宇宙在其整个历史上的膨胀。

如果我们知道宇宙的本质和万物遵循的物理定律，我们就能对所有这些事情做出定量的预测，包括:

1. 早期宇宙中由什么构成了原子核以及何时形成的？

2. 当第一个中性原子形成的时候，来自最后一个散射表面的辐射是什么样的?（微波辐射）

3. 从大尺度到小尺度，宇宙的结构在今天和过去的任何时候都是什么样的？

4. 以及可观测宇宙中物质的规模、大小和数量是如何在宇宙的历史中演变的？

我们所认为的正常物质，即由质子、中子和电子组成。在第一批恒星形成之前，非常早期宇宙以非常特定的比例融合了第一批质子和中子，也就是第一批稳定的原子核的形成，为什么早期的宇宙没有将氢和少量的氦继续融合成更重的元素呢？简单一句话：这取决于当时的物质密度和光子的数量（辐射的强度）。可以戳下面链接：宇宙爆炸初期温度密度极高，为何氢原子没有顺势发生核聚变？

那么宇宙中究竟有多少正常物质，而这一点已经得到了观测的直接的验证。这个数字被严格限制在每立方米大约0.262个（质子+中子），也可以是0.28和0.24，或这个范围内的其他数字。这个时期宇宙还是一团炽热的物质浓汤，没有任何中性粒子的形成，也称为不透明时期！

在那之后，宇宙继续的膨胀和冷却，直到最终宇宙中的光子（辐射）失去足够多的能量，中性原子才得以形成。

微波背景辐射的来源？并为我们揭示物质的总量和正常物质的比例

当中性原子形成的时候，光子就可以自由地、不受约束地向它们最后移动的方向传播，这时宇宙进入了透明时期。这些获得自由的光子就是我们现在观测到的大爆炸的余晖也就是我们熟知的微波背景辐射。在20世纪60年代，我们不仅测量了宇宙微波背景，我们还测量了其中存在的微小温度波动——微克尔文尺度的波动。

宇宙微波背景的温度波动，以及波动出现时的强度、相关性和尺度，可以给我们提供关于宇宙的大量信息。值得一提的是，我们从微波背景辐射的波动中可以知道：宇宙中总物质与正常物质之比是多少。因为宇宙空间中物质密度的不同，会导致宇宙微波辐射各处的温度不同，密度高的地方，由于物质对辐射引力作用，温度会变低表现为蓝色，而物质稀少的区域温度较高表现为红色。

所以我们通过对微波辐射的波动的观测发现，总物质和我们已知正常物质的比率约为5:1，这意味着宇宙中仅有16%的物质是正常物质。但微波辐射并没有告诉我们剩下的84%是什么？仅从宇宙微波背景，我们只知道它可以像普通物质一样产生引力的影响（不然我们也观测不到这么明显的温度波动），但它不像普通物质那样与电磁辐射(光子)发生相互作用。

如果真的存在暗物质，那么暗物质可能是一些比较轻的物质，比如中微子，或者是一些非常重的物质，比如理论上的WIMP（弱相互作用有质量粒子）。暗物质也可以是快速运动的物体，有很大的动能，也可以是缓慢运动的物体，几乎没有动能。

但我们很确定的是，所有可能的候选者都不可能是我们所认知的正常物质（标准模型中的任何粒子），这也是我们目前关于暗物质所知道的一切！

这就是宇宙大爆炸后微波背景辐射的来源，以及它是如何我们揭示暗物质的存在以及物质的比例的。