在这幅艺术渲染图中，耀变体正在加速产生介子的质子，而介子又会产生中微子和伽马射线。光子也会产生。
当涉及到宇宙时，根据我们的观察，我们可以确信有些东西是存在的。我们知道，在遥远的过去，宇宙更热、密度更大、也更均匀。我们知道，宇宙中的恒星和星系随着宇宙的老化而成长和演化。我们知道万有引力在宇宙中形成了大规模的结构，而且随着时间的推移，这种结构变得越来越复杂。我们也知道宇宙中有多少正常物质，这还不足以解释我们所看到的引力效应。
所以如果正常物质不可能是所有的，那还能有什么呢?主要观点是暗物质，但我们并不确切知道它是什么。如果只是光呢?这可能吗?这就是伊农·特拉维斯·希想知道的，他问道:
「我很想读一篇关于为什么光不是暗物质候选者的文章，尤其是最近关于宇宙中环境光超过50%的文章，以及已知的表观质量光子在时空上的现象……」
这是一个完全合理的想法。让我们看看里面。
虽然恒星、星系和银河系是夜空中熟悉的景象，但在这里，它们与微弱的黄道光结合在一起
首先，我们在宇宙中看到的环境光确实存在过剩。事实上，我自己在2020年就写过这篇文章，因为这是新视野号宇宙飞船能够从它独特的位置测量到的最有趣的事情之一:在冥王星轨道之外。在所有功能齐全的航天器中，只有「新视野号」距离遥远，能够免受太阳系中存在的微小反射光尘埃颗粒的影响，并观察还剩下哪些光线。
深空完全是黑暗的吗?
普朗克合作项目发布的第一张完整的天空图揭示了几个星系外的宇宙微波背景源
你可能会认为它应该是这样的，但这不是新视野号团队发现的。过量的光来自预期的来源:相机噪音、散射的阳光、过量的离轴星光、航天器推力产生的晶体和其他仪器效应，所有这些都会产生过量的光。但这些影响都可以建模，一旦建模，它们的大小和贡献就可以量化。然而，当它们被减去时，仍然有一个无可争议的多余部分。
其中一些发生在柯伊伯带的平面上，所以只使用了该平面外的观测结果。有些发生在银河系富含尘埃的平面上，所以这些观测结果也被抛弃了。尽管如此，过剩依然存在。是什么引起的?考虑了六个理论贡献:
1.我们可以识别的恒星和星系，
2.尚无法识别的暗淡恒星和星系，
3.红外线卷云散射的漫射光，
4.从太阳系外围残留的尘埃中散射阳光，
5.相机内部额外的光线，
6.以及任何漫射的宇宙光学背景，甚至与迄今为止尚未确定的来源无关。
在进行了最严谨的计算之后，他们仍然得出结论:宇宙中存在的光是恒星和星系的预期数量和密度的两倍。光就在那里;确实存在一个漫射的、尚未解决的「宇宙光学背景」，我们在那里看到的光比我们天真地期望看到的要多。
这张照片展示了仙女座星系光环中的恒星。这颗有衍射峰的明亮恒星来自我们的银河系
但是多余的光能解释我们在宇宙中需要的额外引力吗?
不。
有两个主要原因。首先，这种光的总功率很小:每平方米空间只有几十纳瓦。它是造成时空曲率的所有形式的能量的总和，而正是这些能量的团块形式——也就是静止质量不为零的能量——导致了空间中局部的引力效应。宇宙中所有光中编码的总能量大约是临界能量密度的0.01%，而暗物质的总能量需要达到临界能量密度的27%左右。即使我们偏离了2倍、10倍或100倍，我们也无法解释暗物质的存在。
但另一个原因也许更令人信服:只有静止质量不为零的东西才能表现为暗物质，而据我们所知，光是没有质量的。事实上，如果它不是无质量的，那么它就不会以光速运动，在这种情况下我们有明显的限制。
在引力波和伽马射线信号到达的几个小时后，光学望远镜瞄准合并的星系几乎实时观察到爆炸的地点变亮和变暗。
早在2017年，就出现了一个令人难以置信的观察结果。2017年8月17日，费米伽马射线暴监测仪探测到一组局部高能光子:这是伽马射线暴的经典特征。伽马射线暴有两种，一种是短暴(少于2秒)，被怀疑是由中子星合并引起的，还有一种是长暴(超过2秒)，被认为是由大质量快速旋转的恒星的核心坍缩引起的。看到短周期伽马射线暴是令人兴奋的，但它不会给科学界带来革命性的变化。
至少，不是它自己。值得注意的是，就在几秒钟之前——正如后来的分析所显示的那样——LIGO和处女座引力波探测器也发现了一个引力波信号，这个信号在天空中精确地定位在同一个位置。这个信号只被观测了大约10秒，但它具有两个大质量致密物体最终的吸入和最终合并的所有特征。这个信号突然在一个特定的时间点结束，与合并本身相对应，后来被确定为两颗中子星在大约1.3亿光年之外合并。
然后，仅仅1.7秒后，伽马射线就一下子到达了费米探测器。
艺术家描绘的两颗合并的中子星。起伏的时空网格代表了碰撞发出的引力波
想想看。一个事件发生了:两个巨大的、紧凑的天体在一个特定的时刻合并在一起。这些引力波以光速在宇宙中传播，穿越了大约1.3亿光年的距离。(是的，忽略宇宙的膨胀对于这么近的物体来说是可以的;排除它会导致距离/旅行时间误差小于1%。)在合并发生的同一时刻，产生了高能光子，它们也穿过宇宙，穿越1.3亿光年的距离，直到它们到达我们的探测器。
这就是我想让你们思考的:两个几乎同时发出的信号(相距不到2秒)，在太空中旅行了1.3亿年——大约4 × 1015秒——到达最终目的地的时间间隔不到2秒。它们就像一场超级超级马拉松一样，彼此针锋相对，它们以同样的速度移动，精度超过千万亿分之一。换句话说，如果光子有质量，那么这个质量一定非常小，以至于在超过1亿年的时间间隔内，一个竞速的光子和一个竞速的引力波在穿越的距离上没有任何明显的区别!
任何在宇宙中穿行的宇宙粒子，无论速度或能量如何，都必须与大爆炸遗留下来的粒子的存在相抗衡。
事实上，有许多证据表明，光子的质量也有同样强大的上限，太阳风的磁流体动力学效应提供了最强大的极限，即它的静止质量必须小于10-18 eV/c2，或者小于质子质量的十亿分之一。如果光子确实有静止质量，那么这个静止质量一定是极小的。
这就足以杀死作为暗物质候选者的光子。
「等一下，」「如果它有质量，那么它就会表现得像物质。它会聚集在一起，产生引力，如果它不能脱离被引力束缚的星系或星系团，它的行为会不会像暗物质一样?」
你是正确的。如果一个光子有质量，如果它的动能很小，以至于落入一个星系或星系团，那么它将有助于增加该结构的静止质量。它会被引力吸引，它自己不会发光。它的功能就像暗物质一样。
一个仅由正常物质控制的星系(左)，其外围的旋转速度要比中心的低得多，这与太阳系中行星的运动方式相似
然而，它不能解释宇宙中暗物质的存在。原因很简单:即使光子有质量，我们还是要问，「我们在宇宙中拥有的光子到底拥有多少能量?」即使对于波长最长、能量最低的光子，答案也是「比它们所能拥有的最大允许静止质量要多得多的能量」。事实上，如果你想让光子以比光速慢的速度运动，它们就必须加长，使它们的波长大于10亿公里:比太阳到木星的近似距离大一点。
这就是问题所在:暗物质不会落入宇宙中已经存在的巨大团块中。相反，暗物质推动了宇宙中大质量团块的初始形成，也是我们所看到的大规模结构形成的主要原因。这意味着暗物质需要以非相对论的方式运动，或者以比光速慢的速度运动，从非常非常早的时候开始。这就是为什么有时候，你会听到热暗物质、暖暗物质和冷暗物质的区别。宇宙非常关心暗物质在任何时候的运动速度与光速相比有多快。
在宇宙中形成的暗物质结构(左图)和由此形成的可见星系结构(右图)从上至下展示了冷、热、热暗物质宇宙。
为了与我们的观测结果相一致，几乎100%的暗物质都是冷的，这意味着即使在早期，即使在宇宙比现在更热、密度更大、能量更大的时候，暗物质的运动速度也一定比光速慢。
事实上，宇宙实际上充满了一种热暗物质:中微子，在热大爆炸的早期阶段，中微子和光子一起被大量创造出来。中微子的静止质量至少比光子所能达到的最大质量大万亿倍，而且在宇宙已经存在数亿年之前，中微子的运动速度不会比光速慢。
光子，即使是能量最低的光子，相对于光的速度仍然会移动得很快。即使它们确实有质量，即使它们确实像暗物质一样，它们也不能解释我们在宇宙中实际存在的暗物质。它们的天体物理学效应不能正确地解释对星系、星系团、宇宙网的观测，以及我们在宇宙微波背景中观察到的不完美。暗物质一定是别的东西。
轴子是暗物质的主要候选者之一，在适当的条件下，轴子可能会转化为光子(反之亦然)。
原则上，大质量光子能够解释我们在宇宙中实际拥有的暗物质的唯一方法是，它们是在大爆炸之后以某种方式产生的，几乎完全没有动能:如果它们在某种程度上是冷的。虽然这听起来很疯狂，但实际上有一种候选暗物质粒子，它的质量很小，并且具有静止时产生它们的机制:轴子。
虽然我们所知道的光子不遵守这些规则，但理论家们已经对可能的规则进行了非常聪明的修改，要么是修改后的光子——加上一个额外的机制，使它们以非常低的能量大量诞生——要么是一种相关类型的粒子，被称为暗光子，可能成为某种暗物质的候选者。然而，根据我们所知道的麦克斯韦电动力学和费曼量子电动力学的规律，光表现为辐射，而不是任何类型的物质。
暗物质可能是什么有很多可能性。不幸的是，没有一个标准模型中的粒子，甚至包括一个大质量的光子，能够完成这项工作。
