中微子是暗物质吗？它是目前我们唯一知道的暗物质形式

20世纪30年代，弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）在观察了单个星系在星系团中的运动以后（如下图中的后发座星系团），首次发现了宇宙中质量缺失的问题。

这个其实很好理解，我们只要知道单个星系在星系团中的运动情况，然后根据引力理论，就可以通过引力的方式算出这个星系团的总质量。

而且，我们还知道恒星是如何工作的，我们可以通过测量一个星系的光度，来计算出组成整个星系团中恒星的质量。通过两种独立的方法我们就分别得出了一个星系团的质量。

首先我们要知道，一个恒星基本上会占整个恒星系统的绝大部分质量，例如太阳的质量就占了整个太阳系的99.86%，所以我们认为恒星的质量基本上就可以代表一个星系的质量。但是星系中还有一些其他的天体、尘埃、气体。我们暂时不管这些东西。

如果引力和星光这两个独立测算星系团质量的方法是正确的，虽说得出来的质量数值不需完全一致，但至少也应该差不多。但事实证明，我们得来的两个质量数值，一个来自引力，一个来自星光，相差了50倍。这个差别就有点太大了。

现在我们在考虑下其他的不发光的物质。我们把这些都算进去，看下会怎样。

因为我们知道物质不仅会形成发光的恒星，而且还会形成行星、气体、尘埃、等离子体、小行星、彗星、冰，以及我们能想到的任何物质。那么缺失的质量是不是就是这些有质子、中子、电子组成的物质呢？

其实我们有三种完全独立的方法可以非常精确的测量宇宙有多少质量是由我们熟悉的“普通物质”构成的。

我们可以追溯到早期的宇宙，也就是大爆炸后的几分钟，并且计算出在大爆炸核合成（BBN）期间产生了多少氢元素（氢、氦、锂以及同位素）。

这个数值只依赖于一个重要的参数，就是重子数（质子和中子的总和）与光子数（可以计算出来）之比，所以我们测量了轻元素数量，也知道了宇宙中质子和中子的数量，因为宇宙是电中性的，所以我们也知道了电子的数量。

我们还可以通过观察宇宙微波背景（CMB）的波动模式，不同峰值的位置和高度可以告诉我们：宇宙中正常物质（质子、中子和电子）的数量，以及总物质（所有具有引力质量的物质总和）的数量

通过这个方法我们也得到了一个数值。

最后，我们可以在最大的尺度上观察宇宙。我们可以观察星系、星系团和超星系团是聚集在一起的方式，并探索宇宙的大尺度结构（LSS）。上图中的波动辐射以及整体的高度，可以告诉我们：正常物质的总量和总物质的总量。

我们的发现惊人的一致。三种测量（BBN、CMB和LSS）方法都给出了相同的值：宇宙中大约15%的物质总量（包括2%的恒星）是正常物质，其余的大约85%是不发光或不吸收光的物质。事实上，所有这些物质加起来仅占宇宙总能量的30%多，其余都是暗能量。在使用了三种独立的测量方法后，我们发现宇宙中的普通物质只占了宇宙总质能的5%。

那么暗物质是什么呢？是一种与光不发生相互作用的粒子？

起初我们想到了一种候选粒子，它是宇宙中第二丰富的已知粒子，大爆炸留下来的中微子！

在早期的宇宙中，粒子和反粒子对会大量并且等量的产生，而且在一段时间内，密度和温度都非常高，甚至是不起眼的中微子和反中微子都都自发的大量产生。

在宇宙非常年轻的时候，也就是大爆炸后的一秒钟，中微子被冻结了，也就是说宇宙的温度和密度下降以后，由于中微子的反应横截面非常小，导致它们在被稀释、冷却以后，不再与任何其他形式的物质发生相互作用，也不再与自身相互作用。

如果中微子无质量，那么它的能谱和分布就会非常类似与今天大爆炸留下的光子：微波背景辐射。

但它们之间还是会有细微的差别：中微子背景的温度会稍低一些（1.96 K），它们的总能量只有光子的2/3左右，而且中微子在宇宙中每立方厘米的空间里只有不到300个。当宇宙微波背景辐射第一次发射时，它们的行为与此相似，这就是为什么我们能够探测到宇宙微波背景辐射中的中微子特征！

但这是假设中微子是无质量的！如果它们有质量，即使质量与其他已知粒子相比很小，但它们的数量比质子多了10亿倍，应该会成为宇宙的主要质量来源！

中微子有三种不同的类型，但它们的丰度相同，如果每个中微子的质量平均有3.7 eV的话（第二轻的粒子，电子质量约为511000 eV），那么100%的暗物质都是由中微子构成的。事实上，这三种中微子的质量如何分配并不重要，只要三种中微子的质量（e,μ和τ）总和为11.2 eV，那么它们将会是所有的暗物质。

所以暗物质问题，真的差一点就解决了。如果中微子的质量足够的话，那么它就是我们一直要寻找的暗物质。

但是，事与愿违，通过对宇宙微波背景的测量，我们发现这三种中微子质量之和的上限仅为0.18 eV，这意味着暗物质只有1.6%以中微子的形式存在。

通过对中微子振荡的观察，我们知道中微子质量总和有一个最低的限制：0.06 eV，这意味着至少有0.55%的暗物质是以中微子的形式存在的。

当宇宙还年轻的时候，中微子移动得很快，这意味着它是热暗物质的一种形式。运动缓慢的暗物质更冷，我们称为冷暗物质。

虽然宇宙的大尺度结构告诉我们，绝大多数的暗物质要么是冷的，要么是热的，但我们知道，有一小部分热暗物质，实际上就是中微子！尽管宇宙中的大尺度结构（在可测量的误差范围内）与冷暗物质（下图中的CDM）一致，但我们知道有少量的热暗物质以中微子的形式混合在了一起，介于0.55%到1.6%之间！

到目前为止，其他的98.4- 99.45%的非重子暗物质被证明难以捕捉，科学家一直在认真研究这些物质是什么。但是中微子是我们所知道的暗物质的唯一形式，但它是暗物质的冰山一角，它们实际上是我们今天所知道和了解的唯一一点暗物质！

在宇宙的总物质中，大约15.5%是正常物质：由质子、中子和电子组成。

在所有物质中，中微子占了0.5%到1.4%。中微子是宇宙中已知的非零质量最小的粒子。

宇宙中大约83%物质是某种“其他”形式的暗物质，它们要么是冷的，要么是热的，而我们至今还没有发现它们。

这就是我们所知道的一点点暗物质的故事！