暗物质与暗能量
研究日期：2026-04-15 | 全球科研网站与论文综合研究
宇宙里有东西，我们看不见，但它们比看得见的多五倍。
这不是比喻。你周围的一切——椅子、手机、你自己的身体——加起来只占宇宙总内容的5%。剩下的95%，我们用两个名字叫它：暗物质占27%，暗能量占68%。两个名字，两种完全不同的东西，唯一的共同点是"我们不知道它到底是什么"。
但"不知道"不等于"什么都没做"。过去两年，这个领域的进展快得让人喘不过气。好几条路同时走到了关键拐点。
先说暗物质。
最主流的猜想叫WIMP——一种比质子重几百倍、几乎不跟普通物质打交道的粒子。这个猜想在2000年代统治了整个领域。逻辑很简单：这种粒子刚好在宇宙早期大量产生，留下的数量恰好解释今天的暗物质总量。物理学家叫它"WIMP奇迹"。
但奇迹正在破灭。
过去十年，全世界造了越来越大的探测器，一头扎进地下深处去抓WIMP。原理不复杂：暗物质粒子偶尔撞上探测器里的原子核，留下一个微小的信号。问题在于，信号太小了，需要把探测器埋在几千米岩石下面来屏蔽宇宙射线的干扰。
三个最大的实验——意大利的XENONnT、美国的LZ、中国的PandaX-4T——用了几吨液态氙做靶子。它们已经把WIMP可能存在的空间压缩到了一个极窄的角落。XENONnT用了3.1吨年的数据，把暗物质跟普通物质的碰撞概率上限推到了1.7×10⁻⁴⁷ cm²。LZ更狠，4.2吨年，上限2.2×10⁻⁴⁸ cm²。
这些数字本身不重要。重要的是它们意味着什么：如果WIMP真的在预言的那个质量范围里，它跟普通物质的相互作用比我们最开始猜的要弱一万亿亿倍。大自然没有义务按照我们的期待来安排。但一个越来越清楚的事实是——WIMP最自然的参数空间已经被排除了。
2024年，一篇发表在《欧洲物理杂志C》上的综述直接用了这个标题："WIMP的衰落：终局？"
更戏剧性的是，这些探测器已经灵敏到了一个新阶段。太阳中微子开始出现在数据里。LZ实验在4.5σ置信度上看到了太阳⁸B中微子跟氙原子核的碰撞信号。PandaX-4T也在2.64σ上看到了同样的东西。
这听起来像是实验的胜利——确实也是。但它同时意味着一个根本性的麻烦：中微子的信号跟暗物质的信号太像了，它们混在一起分不开。物理学家管这叫"中微子雾"。从此以后，暗物质探测不是在噪音里找信号，而是在信号里找信号。
下一步怎么办？三个实验已经宣布合并，造一个叫XLZD的下一代探测器。60到80吨液态氙，灵敏度目标3×10⁻⁴⁹ cm²。如果WIMP存在，这个探测器大概率能看到。如果它还是什么都没看到，WIMP的搜索在实用意义上就到头了。
但WIMP不是唯一的路。
有一类更轻的暗物质候选者，质量可能只有电子的百万分之一甚至更小。传统的氙探测器对它们完全看不见——太轻了，撞不动原子核。这时候需要完全不同的技术。SENSEI实验用的是一种特殊的硅芯片，叫skipper-CCD，能数出单个电子。DAMIC-M实验更是首次排除了"隐扇区"benchmark模型。这些名字不需要记住，关键是思路变了：不抓大鱼了，换个网捞小鱼。
还有一条更古怪的路——轴子。轴子最初是为了解决强相互作用中一个理论问题而被提出的，碰巧它也能当暗物质。找轴子的方式更像是调收音机：轴子如果存在，它会在强磁场里转换成微波光子，你只要在正确的频率上听就行。ADMX实验覆盖了1.1到1.31 GHz的范围。韩国的CAPP-MAX首次在1 GHz以上达到了DFSZ模型的灵敏度——这意味着它进入了轴子"应该"存在的参数范围。HAYSTAC实验用了一种叫"压缩态"的量子技术来压低噪音。DMRadio则在更低频段搜索，目标质量范围从20 neV到1 μeV。
这些实验就像在收音机上一格一格地拨台。大部分频段还没拨到，但每一格拨过去，要么找到，要么排除一块。这个搜索方式注定是漫长的。
对撞机也在找暗物质。ATLAS实验在2025年发表了一篇重要的结果：搜索"暗希格斯"——一种暗物质粒子的质量来源机制。他们把Z'玻色子的排除范围推到了4.8 TeV。有意思的是，这项研究第一次在粒子物理搜索中引入了宇宙学一致性约束——不是随便排除参数，而是确保排除的范围跟宇宙观测不矛盾。中国科学院李政道研究所的团队主导了这项工作。
理论那边也在经历大洗牌。
模糊暗物质——一种由极轻粒子组成、行为像波而不是粒子的暗物质模型——遇到了严重麻烦。2025年，Benito等人的分析发现，模糊暗物质预言的星系核心半径与恒星质量的关系，跟观测数据冲突了6.1σ。6.1σ意味着随机涨落造成这种差异的概率大约是十亿分之一。这基本判了模糊暗物质的死刑。
自相互作用暗物质则迎来了高光时刻。加州大学河滨分校的徐海波团队在2026年初的《物理评论快报》上发表了一项工作：暗物质粒子之间存在非引力相互作用，这种相互作用可以让暗物质在星系中心经历"引力热坍缩"——粒子互相散射，把能量往外传递，中心越来越密。这个过程同时解释了三个长期困扰天文观测的谜：矮星系中心的密度为什么比预期低、暗物质晕为什么是球形而不是长条形、以及两个碰撞星系之间的暗物质为什么没有像预期那样分离。三个问题，一个机制。这比WIMP的处境健康得多——WIMP是因为什么都没看到而收缩，自相互作用暗物质是因为看到了东西而扩张。
原初黑洞也有戏。不是那种几倍太阳质量的黑洞，而是小行星质量的——10¹⁷到10²²克。这个质量窗口目前的观测约束非常弱，而且最近有人发现，霍金蒸发对原初黑洞的约束在低质量端有问题，可能打开新的允许窗口。不过目前还都是理论推测，没有观测证据。
再来看暗能量。暗能量比暗物质更让人不安。
暗物质至少我们知道它在那里——星系转得太快、引力透镜弯曲光线、宇宙大结构的形状，全都指向"有东西在那里，我们看不到"。暗能量连"在那里"都谈不上。它更像是一种趋势：宇宙在加速膨胀，而且越来越快。什么东西在推动这个加速？我们不知道，就给它起了个名字叫暗能量。
长期以来，标准模型把暗能量处理成一个常数——爱因斯坦的宇宙学常数，对应的方程参数叫w，等于-1。如果w就是-1，暗能量就是时空本身的一种性质，不是什么粒子或场，没有动力学，不随时间变化。简单的解释，但也是最无聊的。
2025年3月，DESI实验发布了第二批数据，这个简单的图景被动摇了。
DESI是架在亚利桑那基特峰上的光谱仪，正在测量数百万个星系和类星体的位置，从而重建宇宙膨胀的历史。它的核心数据是重子声学振荡——早期宇宙里声波留下的印记，可以作为量天尺。
DESI第二批数据的关键结果：如果允许w随时间变化，参数化为w₀和wₐ，那么最佳拟合值是w₀=-0.39⁺⁰·³¹₋₀.₁₅，wₐ=-0.83⁺⁰·²⁸₋₀.₂₇。如果w真的是-1而且不变化，w₀应该等于-1，wₐ应该等于0。DESI看到的值跟这个差距不小。动态暗能量的证据在2.8到4.2σ之间，取决于跟哪些数据组合。
更具体地说，DESI的数据暗示一种叫"Quintom-B"的行为：暗能量在宇宙早期表现得像普通的物质（w大于-1/3），在某个时刻穿过w=-1的线，在晚期变成"幽灵能量"（w小于-1）。穿越点大约在红移0.45处，换算成时间大约是50亿年前。
这个发现如果站得住，那意义极大。w小于-1意味着暗能量密度随时间增加而不是减少，这在广义相对论框架下需要"幽灵"场——负能量的东西。绝大多数物理学家不喜欢负能量，因为它导致不稳定性。但数据就是数据。
同一时期，《自然-天文学》上发表了一篇由顾等人的研究，用非参数方法重建暗能量状态方程，信噪比4.5，贝叶斯证据差Δln E=5.2±0.7，支持动态暗能量。另一组分析使用了DESI数据和暗能量巡天超新星数据的组合，结论一致。
但谨慎也是必要的。2.8到4.2σ不够。粒子物理要5σ才算发现。宇宙学的惯例宽松一些，但3σ以下的结果翻车的不在少数。
暗能量的问题跟另一个长期悬案纠缠在一起——哈勃张力。
用造父变星和超新星这类"距离阶梯"方法测量，宇宙现在的膨胀速度大约是72到74 km/s/Mpc。用宇宙微波背景辐射推算早期宇宙再演化到今天，膨胀速度应该是67左右。两组方法，两个数字，差异大约5σ。
JWST的最新数据站在了高值那一边：72.6 km/s/Mpc。ACT DR6的数据站在了低值那一边，确认了普朗克卫星的早期宇宙测量。TDCOSMO合作组2025年的结果是74.3⁺³·¹₋₃·₇ km/s/Mpc。两边都很坚持。
哈勃张力如果真的存在，最可能的解释之一就是暗能量不是常数。动态暗能量会改变宇宙晚期的膨胀历史，从而改变从早期数据推算到今天的膨胀速度。这跟DESI的暗示方向一致。
不过也有一丝缓和的迹象。S₈张力——从弱引力透镜测量的物质聚集程度与宇宙微波背景推算值的差异——最近的KiDS-Legacy数据显示，张力可能没有之前想的那么严重。
未来几年是关键窗口。
薇拉鲁宾天文台的LSST巡天在2025年6月实现了首光。它将在十年内扫描整个南天，发现数以百万计的超新星和弱引力透镜事件，对暗能量状态方程的约束精度提升一个量级。罗曼空间望远镜计划2027年发射，用近红外巡天补充LSST在光学波段的覆盖。欧几里得空间望远镜已经在2025年3月发布了第一批数据，核心科学结果预计2027年出。
中国也有自己的布局。巡天空间望远镜CSST计划2027年随空间站发射，暗能量状态方程约束精度目标小于5%。FAST射电望远镜正在尝试21厘米宇宙学，虽然主要目标不是暗能量，但中性氢的大尺度分布也能提供独立约束。
在暗物质这边，关键的等待对象是XLZD。如果2030年代初期它开始取数，我们大概在2030年代中期就能知道WIMP到底存不存在。
但更深层的问题可能不是某个粒子存不存在，而是我们是否需要重新思考"暗"这个概念本身。
一个正在浮现的方向是暗物质与暗能量的耦合。DESI的数据已经暗示了这种可能性。Chakraborty等人在2025年的JCAP上研究了带汤川耦合的Quintessence模型——暗能量场跟暗物质粒子之间有直接相互作用。这种耦合会改变宇宙膨胀历史和结构生长速率，同时影响暗物质和暗能量的观测量。
FLAMINGO模拟项目展示了另一面。这是目前最大规模的宇宙学流体模拟之一，它发现重子物质（就是普通物质，恒星、气体那些）的反馈效应比之前估计的更大。超新星和活动星系核把气体吹出去的过程，会改变暗物质晕的分布，进而影响我们对暗物质密度和暗能量参数的推断。换句话说，我们以为的"暗信号"里可能混进了"亮信号"。
这指向一个让人不舒服的可能性：也许暗物质和暗能量不是一个粒子加一个常数那么简单。也许它们是同一个深层结构的不同表现。也许我们对引力的理解在宇宙尺度上就是错的。
修改引力理论一直作为备选方案存在。但它们的处境不太好——需要在太阳系尺度上回归广义相对论（因为那里广义相对论跟观测符合得极好），同时在宇宙尺度上产生等效的暗物质和暗能量效应。这个双重要求非常难满足。最近的观测约束继续在压缩这类模型的空间。
所以现在的情况是：WIMP在收缩但还没死，轴子和轻暗物质在扩张但还没找到，自相互作用暗物质在崛起，原初黑洞还是个问号。暗能量可能不是常数，DESI给出了tantalizing的暗示但还没到定论。哈勃张力在加剧。下一代实验正在上线。
这不像是一个即将收官的故事。更像是一个正在换主角的故事。WIMP花了二十年从主角变成配角，取而代之的可能不是一个新的单一主角，而是一个群像——多种暗物质候选者并存，暗物质与暗能量之间可能有我们没想到的关联。
最后一个细节。你觉得暗物质研究最大的投入是什么？不是探测器，不是对撞机，是时间。XENON实验从2006年开始，到今天快二十年了，WIMP搜索范围缩小了十个数量级，还是什么都没看到。它还会继续。科学里最贵的不是仪器，是耐心。
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核心数据速览
| 实验/项目 | 关键结果 | 时间 |
|---|---|---|
| XENONnT | SI上限1.7×10⁻⁴⁷ cm²（3.1吨年） | 2024-2025 |
| LZ | SI上限2.2×10⁻⁴⁸ cm²（4.2吨年），4.5σ ⁸B中微子CEvNS | 2024-2025 |
| PandaX-4T | SI上限~1.6×10⁻⁴⁷ cm²（1.54吨年），2.64σ ⁸B中微子 | 2024-2025 |
| XLZD | 合并下一代，60-80吨液氙，目标3×10⁻⁴⁹ cm² | 规划中 |
| ATLAS暗希格斯 | Z'排除至4.8 TeV，引入宇宙学约束 | 2025 (PRL) |
| DESI DR2 | w₀=-0.39⁺⁰·³¹₋₀.₁₅，wₐ=-0.83⁺⁰·²⁸₋₀.₂₇，动态DE证据2.8-4.2σ | 2025.03 |
| Gu et al. (Nat.Ast.) | 非参数重建SNR=4.5，Δln E=5.2±0.7 | 2025 |
| 模糊暗物质 | 6.1σ冲突（核心半径-恒星质量关系） | 2025 (Benito et al.) |
| SIDM | 三谜统一（PRL 2026，徐海波团队） | 2026 |
| JWST哈勃 | H₀=72.6 km/s/Mpc | 2025-2026 |
| TDCOSMO | H₀=74.3⁺³·¹₋₃·₇ km/s/Mpc | 2025 |
| Rubin/LSST | 首光2025.06 | 2025 |
| Roman | 2027发射 | 规划中 |
| CSST | 2027发射，w约束<5% | 规划中 |
关键论文索引
- "The waning of the WIMP: endgame?" — EPJC, 2024
- LZ Collaboration, ⁸B neutrino CEvNS detection — Phys.Rev.Lett., 2024-2025
- PandaX-4T, solar neutrino CEvNS — Phys.Rev.Lett., 2025
- ATLAS, dark Higgs search with cosmological consistency — PRL, 2025
- DESI Collaboration, DR2 results — 2025.03
- Gu et al., non-parametric dark energy reconstruction — Nature Astronomy, 2025
- Benito et al., fuzzy DM conflict — 2025
- Hai-Bo Yu et al., SIDM unified three cosmic puzzles — PRL, 2026
- Chakraborty et al., coupled DM-DE with Yukawa — JCAP, 2025
- FLAMINGO simulation project — 2023-2025
中国科研参与
- PandaX-4T（锦屏深地实验室）：液氙直接探测，已进入中微子雾阶段
- CDEX（锦屏深地实验室）：高纯锗探测器，轻暗物质搜索
- ATLAS暗希格斯搜索：李政道研究所团队主导
- CSST巡天空间望远镜：2027年发射，暗能量w约束目标<5%
- FAST 21cm宇宙学：中性氢大尺度分布独立约束