暗物质和中微子可能相互作用，这将挑战宇宙的标准模型

宇宙中有两样东西让物理学家夜不能寐。一个是暗物质，占据宇宙物质总量的85%却从未被直接看见。另一个是中微子，质量小到几乎可以忽略，却能穿透地球而毫发无损。长久以来，科学家认为这两者各行其道，互不干涉。但谢菲尔德大学刚刚发表在《自然·天文学》上的研究显示，这两个宇宙中最难以捉摸的角色可能正在进行某种神秘的互动，而这可能彻底改写我们对宇宙演化的理解。

这项研究解决的是宇宙学中一个长期令人困惑的悖论，被称为"S8张力"。当科学家测量早期宇宙的状态，然后根据标准模型预测今天的宇宙应该是什么样子时，发现物质的聚集程度比实际观测到的要高。换句话说，星系和星系团的分布比理论预测的更稀疏。这种差异虽然不大，但已经达到了统计学上显著的程度，从2019年的2.5西格玛增长到现在的3西格玛，意味着这种差异纯属偶然的概率只有七百四十分之一。

从大爆炸余辉到现代星系：跨越138亿年的数据拼图

研究团队的创新之处在于将跨越宇宙整个历史的数据结合起来分析。关于早期宇宙的信息来自两个精密仪器：位于智利海拔5190米的阿塔卡马宇宙学望远镜ACT，以及欧洲航天局在2009年至2013年运营的普朗克空间天文台。这两台仪器都专门观测宇宙微波背景辐射，也就是大爆炸留下的余温。这些微波辐射承载着宇宙诞生后38万年时的信息，就像一张138亿年前的宇宙快照。

图片来源：Pixabay/CC0 公共领域

晚期宇宙的数据则来自暗能量巡天项目和斯隆数字巡天。前者使用智利的维克托·布兰科望远镜上的暗能量相机拍摄了数亿个星系的图像，通过弱引力透镜效应，也就是遥远星系的光被前景物质扭曲的现象，来绘制宇宙中物质的分布图。当研究团队将这些不同时期的数据放在一起分析时，发现了一个有趣的模式：如果允许暗物质和中微子之间存在相互作用，早期和晚期宇宙的观测结果就能完美吻合。

谢菲尔德大学高级研究员埃莉奥诺拉·迪·瓦伦蒂诺博士解释说："早期宇宙的测量预测物质应该聚集得更快，但今天的观测显示聚集速度比预期慢。暗物质和中微子的相互作用可能起到了刹车的作用。"具体来说，如果中微子能够与暗物质发生某种形式的碰撞或能量交换，就会减缓暗物质聚集形成星系的速度，从而解释为什么今天的宇宙结构比理论预测的更松散。

这个发现挑战了宇宙学的标准模型ΛCDM，也就是Lambda冷暗物

质模型。这个模型自1990年代以来一直是宇宙学的基石，成功解释了从宇宙微波背景到大尺度结构形成的几乎所有观测现象。其核心假设之一就是暗物质是"冷"的，意味着它移动缓慢，并且除了引力之外不与任何其他物质相互作用。中微子则被视为"热"暗物质的候选者，虽然质量极小但数量庞大。标准模型认为这两者各司其职，彼此独立。

从理论到实验室：寻找相互作用的蛛丝马迹

暗物质-中微子相互作用参数uνDM的后验分布。红色虚线（蓝色虚线）代表使用 Planck+BAO+ACT（DES Y3 宇宙剪切）似然函数得到的结果。Planck+BAO+ACT+DES Y3 宇宙剪切似然函数的综合结果用绿色实线表示。图片来源：Nature Astronomy (2026)。DOI：
10.1038/s41550-025-02733-1

如果暗物质和中微子真的会相互作用，那它们是通过什么方式进行的？研究团队在论文中引入了一个新参数，称为uνDM，用来量化这种相互作用的强度。根据他们的分析，这个参数的数值应该在某个特定范围内才能解释观测到的S8张力。这为粒子物理学家提供了重要线索：在地下实验室设计新实验时，应该寻找哪些特定的物理过程。

目前已知中微子有三种"味道"：电子中微子、μ中微子和τ中微子，它们可以在飞行过程中相互转换，这种现象称为中微子振荡。如果暗物质粒子能够影响中微子振荡的模式，或者中微子能够将能量传递给暗物质，那么在大型中微子探测器中可能会观测到异常信号。目前正在建造的下一代中微子实验，如深地中微子实验DUNE和海铃计划，可能有能力检测到这种微弱的相互作用。

谢菲尔德大学前博士后研究员、现任职于夏威夷大学的威廉·贾雷博士强调："如果这种相互作用得到证实，将是粒子物理学的根本性突破。"暗物质的本质是物理学最大的未解之谜之一。候选粒子包括弱相互作用大质量粒子WIMP、轴子、惰性中微子等，但迄今为止所有直接探测实验都一无所获。暗物质与中微子的相互作用可能为我们打开一扇新窗口，间接揭示暗物质的性质。

未来的验证：更精密的望远镜正在路上

这项发现并非定论，而是为未来研究指明了方向。即将上线的几个大型巡天项目将提供更精确的数据来检验这一理论。韦拉·鲁宾天文台计划从2025年开始进行为期十年的巡天，将拍摄整个南天的深空图像，大幅提高弱引力透镜测量的精度。欧几里得空间望远镜已于2023年发射升空，专门用于研究暗物质和暗能量的分布。下一代宇宙微波背景实验如西蒙斯天文台和CMB-S4也将提供前所未有的精密测量。

S8张力只是宇宙学面临的多个"张力"问题之一。更著名的是哈勃常数张力，即用不同方法测量的宇宙膨胀速率无法吻合。这些张力可能意味着标准模型需要修正，或者我们对某些物理过程的理解还不够深入。暗物质与中微子的相互作用可能只是冰山一角，指向更复杂的暗部门物理学。

从纯科学的角度看,这项研究展示了宇宙学如何成为粒子物理学的实验室。在地球上的加速器中,我们无法制造足够的暗物质粒子来研究它们的性质。但宇宙本身就是一个巨大的实验场,通过观测星系的分布、宇宙微波背景的涨落,我们可以推断出那些看不见的粒子正在如何影响可见宇宙的演化。当宇宙最神秘的两个暗角开始对话时,它们的窃窃私语可能终将揭示物理学最深层的秘密。