那么暗物质是什么样的粒子呢？在70年代暗物质存在被肯定的时候，科学家们一度认为中微子就是暗物质的真身。因为在大统一理论建立后，物理学家们意识到理论上中微子可以具有质量。而七十年代末的实验测量更是显示中微子质量可能在30eV左右。这些测量在现在看来显然是高估了中微子的质量，但却在当时使得人们把中微子看做暗物质最可能的候选者。这样质量很小的粒子，在宇宙早期具有极高的动能，因此被称作“热暗物质”。但与此相对的，理论学家也提出数种“冷”暗物质的候选者。 相比热暗物质，冷暗物质粒子的质量要大的多，在宇宙早期的速度非常低。
图2. 观测中和数值模拟中的宇宙。每一个扇形区域显示了宇宙一个切片中的星系分布。扇形中的每一个小点都是代表一个星系。包含蓝色点的扇形是观测数据。其中最小的蓝色扇形代表了1977年CFA巡天的观测结果，读者可以清晰的看到宇宙中巨大的“长城”和“空洞”。而包含红色点的扇形是千禧年数值模拟，基于冷暗物质宇宙学模型演算得到的宇宙星系分布。读者可以看出，冷暗物质宇宙中的结构图样和观测十分相似。( 图片摘自马普天文所网站，数据来源自：Sloan Digital SkySurvey, 2dF Galaxy Redshift Survey, and Millenium Simulation。)
3 暗物质：宇宙大尺度结构的启示
如何区分这两种不同的暗物质模型？研究者需要到宇宙的结构中去寻找答案。在大爆炸宇宙学框架下，宇宙的早期处于高温高热的状态，物质密度处处相等，只存在微小的起伏。随着宇宙膨胀，温度降低，物质之间的引力开始推动宇宙中的结构形成。今天我们看到的星球、恒星、星系甚至星系团，都是演化而来。而考虑到暗物质的总质量是普通物质的数倍，这些隐藏的质量事实上主导了宇宙中的结构形成。
那么热暗物质宇宙中的结构形成是什么样的呢？俄罗斯天体物理学家泽尔多维奇(也是俄罗斯原子弹之父)指出，在热暗物质主导的宇宙中，热暗物质的动能可以在小尺度上抵抗引力的压迫。在这样的宇宙中，首先形成的是巨大的薄饼状结构，之后“薄饼”会沿一个方向塌缩，变成巨大的丝状结构。这些巨大的结构由于引力的不稳定性，会从内部碎裂成更小尺度的结构。相对的，在冷暗物质主导的宇宙中，首先形成的是小质量的团块。不同的团块通过合并长大。这种结构形成模式被称作“等级成团” 和热暗物质自上而下的碎裂式结构形成截然不同。
宇宙的大尺度结构究竟是什么样的？1977年，哈佛-史密松森天文中心的年轻科学家Marc.Davis和他的三位同仁展开了一项伟大的星系观测计划，称为CFA巡天计划。这个项目对全天2400个星系的红移进行了精确测量。第一期巡天在1982年完成，观测到的星系中最暗的比人类肉眼极限还要暗上两千多倍。将这些星系画在一张图上，人们将可以粗略的画出宇宙的一个切片的三维地图。这个切片的纵深将达到前所未有的200兆秒差距，或者说是6亿光年的距离。海量的图像对天文学家来说是一笔巨大的财富。Marc.Davis说：“CFA巡天带来了人类历史上前所未见的图像。”
在过去的研究中，因为不知道星系的距离，人们习惯将观测到的星系位置画在二维的天球坐标系中。也就是说，人们看到的是星系在垂直视线的表面上的投影。在这样的图中，星系分布看起来没有什么特别的规律，而这和当时的天文理论并无冲突。CFA巡天带来了新的可能性。玛格丽特·盖勒，哈佛-史密松森天文中心的科学家，和她的两位同事采取了新的绘图方法。她们增加了距离这一新的维度，立体的呈现了星系在一个6度厚，跨度130度的宇宙切片中的分布。这些星系被画在一个扇形图中，星系到扇形顶点的长度代表了星系在视线方向的距离。在这张粗糙的宇宙地图上，星系并不是均匀分布的，而是很明显的聚集在巨大的纤维结构上，而纤维结构又似乎附着在巨大的泡状空洞结构上。盖勒和她的同事们很清楚如何令人印象深刻，她们甚至制作了一部一分钟电影。电影用立体效果显示星系在宇宙中的分布。她们让这个小小的宇宙切片缓慢的沿某个轴转动，观众似乎是在世界的边缘向里看，巨大的“泡泡”和纤维结构令他们摒住呼吸，激动不已。
图3 冷暗物质宇宙(左)和温暗物质宇宙(右)数值模拟中形成的暗晕。可以看到温暗物质数值模拟中子暗晕的数目显著减少(Bose et al. 2016,MNRAS，455,318)。
4 计算中的宇宙：冷暗物质的胜利
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