中微子是暗物質嗎？它是目前我們唯一知道的暗物質形式

20世紀30年代，弗裡茨·茲威基（Fritz Zwicky）在觀察了單個星系在星系團中的運動以後（如下圖中的后髮座星系團），首次發現了宇宙中質量缺失的問題。

這個其實很好理解，我們只要知道單個星系在星系團中的運動情況，然後根據引力理論，就可以通過引力的方式算出這個星系團的總質量。

而且，我們還知道恆星是如何工作的，我們可以通過測量一個星系的光度，來計算出組成整個星系團中恆星的質量。通過兩種獨立的方法我們就分別得出了一個星系團的質量。

首先我們要知道，一個恆星基本上會佔整個恆星系統的絕大部分質量，例如太陽的質量就佔了整個太陽系的99.86%，所以我們認爲恆星的質量基本上就可以代表一個星系的質量。但是星系中還有一些其他的天體、塵埃、氣體。我們暫時不管這些東西。

如果引力和星光這兩個獨立測算星系團質量的方法是正確的，雖說得出來的質量數值不需完全一致，但至少也應該差不多。但事實證明，我們得來的兩個質量數值，一個來自引力，一個來自星光，相差了50倍。這個差別就有點太大了。

現在我們在考慮下其他的不發光的物質。我們把這些都算進去，看下會怎樣。

因爲我們知道物質不僅會形成發光的恆星，而且還會形成行星、氣體、塵埃、等離子體、小行星、彗星、冰，以及我們能想到的任何物質。那麼缺失的質量是不是就是這些有質子、中子、電子組成的物質呢？

其實我們有三種完全獨立的方法可以非常精確的測量宇宙有多少質量是由我們熟悉的“普通物質”構成的。

我們可以追溯到早期的宇宙，也就是大爆炸後的幾分鐘，並且計算出在大爆炸核合成（BBN）期間產生了多少氫元素（氫、氦、鋰以及同位素）。

這個數值只依賴於一個重要的參數，就是重子數（質子和中子的總和）與光子數（可以計算出來）之比，所以我們測量了輕元素數量，也知道了宇宙中質子和中子的數量，因爲宇宙是電中性的，所以我們也知道了電子的數量。

我們還可以通過觀察宇宙微波背景（CMB）的波動模式，不同峰值的位置和高度可以告訴我們：宇宙中正常物質（質子、中子和電子）的數量，以及總物質（所有具有引力質量的物質總和）的數量

通過這個方法我們也得到了一個數值。

最後，我們可以在最大的尺度上觀察宇宙。我們可以觀察星系、星系團和超星系團是聚集在一起的方式，並探索宇宙的大尺度結構（LSS）。上圖中的波動輻射以及整體的高度，可以告訴我們：正常物質的總量和總物質的總量。

我們的發現驚人的一致。三種測量（BBN、CMB和LSS）方法都給出了相同的值：宇宙中大約15%的物質總量（包括2%的恆星）是正常物質，其餘的大約85%是不發光或不吸收光的物質。事實上，所有這些物質加起來僅佔宇宙總能量的30%多，其餘都是暗能量。在使用了三種獨立的測量方法後，我們發現宇宙中的普通物質只佔了宇宙總質能的5%。

那麼暗物質是什麼呢？是一種與光不發生相互作用的粒子？

起初我們想到了一種候選粒子，它是宇宙中第二豐富的已知粒子，大爆炸留下來的中微子！

在早期的宇宙中，粒子和反粒子對會大量並且等量的產生，而且在一段時間內，密度和溫度都非常高，甚至是不起眼的中微子和反中微子都都自發的大量產生。

在宇宙非常年輕的時候，也就是大爆炸後的一秒鐘，中微子被凍結了，也就是說宇宙的溫度和密度下降以後，由於中微子的反應橫截面非常小，導致它們在被稀釋、冷卻以後，不再與任何其他形式的物質發生相互作用，也不再與自身相互作用。

如果中微子無質量，那麼它的能譜和分佈就會非常類似與今天大爆炸留下的光子：微波背景輻射。

但它們之間還是會有細微的差別：中微子背景的溫度會稍低一些（1.96 K），它們的總能量只有光子的2/3左右，而且中微子在宇宙中每立方厘米的空間裡只有不到300個。當宇宙微波背景輻射第一次發射時，它們的行爲與此相似，這就是爲什麼我們能夠探測到宇宙微波背景輻射中的中微子特徵！

但這是假設中微子是無質量的！如果它們有質量，即使質量與其他已知粒子相比很小，但它們的數量比質子多了10億倍，應該會成爲宇宙的主要質量來源！

中微子有三種不同的類型，但它們的丰度相同，如果每個中微子的質量平均有3.7 eV的話（第二輕的粒子，電子質量約爲511000 eV），那麼100%的暗物質都是由中微子構成的。事實上，這三種中微子的質量如何分配並不重要，只要三種中微子的質量（e,μ和τ）總和爲11.2 eV，那麼它們將會是所有的暗物質。

所以暗物質問題，真的差一點就解決了。如果中微子的質量足夠的話，那麼它就是我們一直要尋找的暗物質。

但是，事與願違，通過對宇宙微波背景的測量，我們發現這三種中微子質量之和的上限僅爲0.18 eV，這意味着暗物質只有1.6%以中微子的形式存在。

通過對中微子振盪的觀察，我們知道中微子質量總和有一個最低的限制：0.06 eV，這意味着至少有0.55%的暗物質是以中微子的形式存在的。

當宇宙還年輕的時候，中微子移動得很快，這意味着它是熱暗物質的一種形式。運動緩慢的暗物質更冷，我們稱爲冷暗物質。

雖然宇宙的大尺度結構告訴我們，絕大多數的暗物質要麼是冷的，要麼是熱的，但我們知道，有一小部分熱暗物質，實際上就是中微子！儘管宇宙中的大尺度結構（在可測量的誤差範圍內）與冷暗物質（下圖中的CDM）一致，但我們知道有少量的熱暗物質以中微子的形式混合在了一起，介於0.55%到1.6%之間！

到目前爲止，其他的98.4- 99.45%的非重子暗物質被證明難以捕捉，科學家一直在認真研究這些物質是什麼。但是中微子是我們所知道的暗物質的唯一形式，但它是暗物質的冰山一角，它們實際上是我們今天所知道和了解的唯一一點暗物質！

在宇宙的總物質中，大約15.5%是正常物質：由質子、中子和電子組成。

在所有物質中，中微子佔了0.5%到1.4%。中微子是宇宙中已知的非零質量最小的粒子。

宇宙中大約83%物質是某種“其他”形式的暗物質，它們要麼是冷的，要麼是熱的，而我們至今還沒有發現它們。

這就是我們所知道的一點點暗物質的故事！