在這幅藝術渲染圖中，耀變體正在加速產生介子的質子，而介子又會產生微中子和Gamma射線。光子也會產生。
當涉及到宇宙時，根據我們的觀察，我們可以確信有些東西是存在的。我們知道，在遙遠的過去，宇宙更熱、密度更大、也更均勻。我們知道，宇宙中的恒星和星系隨著宇宙的老化而成長和演化。我們知道萬有重力在宇宙中形成了大規模的結構，而且隨著時間的推移，這種結構變得越來越復雜。我們也知道宇宙中有多少正常物質，這還不足以解釋我們所看到的重力效應。
所以如果正常物質不可能是所有的，那還能有什麽呢?主要觀點是暗物質，但我們並不確切知道它是什麽。如果只是光呢?這可能嗎?這就是伊農·特拉維斯·希想知道的，他問道:
「我很想讀一篇關於為什麽光不是暗物質候選者的文章，尤其是最近關於宇宙中環境光超過50%的文章，以及已知的表觀質素光子在時空上的現象……」
這是一個完全合理的想法。讓我們看看裏面。
雖然恒星、星系和銀河系是夜空中熟悉的景象，但在這裏，它們與微弱的黃道光結合在一起
首先，我們在宇宙中看到的環境光確實存在過剩。事實上，我自己在2020年就寫過這篇文章，因為這是新視野號宇宙飛船能夠從它獨特的位置測量到的最有趣的事情之一:在冥王星軌域之外。在所有功能齊全的航天器中，只有「新視野號」距離遙遠，能夠免受太陽系中存在的微小反射光塵埃顆粒的影響，並觀察還剩下哪些光線。
深空完全是黑暗的嗎?
普朗克合作專案釋出的第一張完整的天空圖揭示了幾個星系外的宇宙微波背景源
你可能會認為它應該是這樣的，但這不是新視野號團隊發現的。過量的光來自預期的來源:相機噪音、散射的陽光、過量的離軸星光、航天器推力產生的晶體和其他儀器效應，所有這些都會產生過量的光。但這些影響都可以建模，一旦建模，它們的大小和貢獻就可以量化。然而，當它們被減去時，仍然有一個無可爭議的多余部份。
其中一些發生在凱伯帶的平面上，所以只使用了該平面外的觀測結果。有些發生在銀河系富含塵埃的平面上，所以這些觀測結果也被拋棄了。盡管如此，過剩依然存在。是什麽引起的?考慮了六個理論貢獻:
1.我們可以辨識的恒星和星系，
2.尚無法辨識的暗淡恒星和星系，
3.紅外線卷雲散射的漫射光，
4.從太陽系外圍殘留的塵埃中散射陽光，
5.相機內部額外的光線，
6.以及任何漫射的宇宙光學背景，甚至與迄今為止尚未確定的來源無關。
在進行了最嚴謹的計算之後，他們仍然得出結論:宇宙中存在的光是恒星和星系的預期數量和密度的兩倍。光就在那裏;確實存在一個漫射的、尚未解決的「宇宙光學背景」，我們在那裏看到的光比我們天真地期望看到的要多。
這張照片展示了仙女座星系光環中的恒星。這顆有繞射峰的明亮恒星來自我們的銀河系
但是多余的光能解釋我們在宇宙中需要的額外重力嗎?
不。
有兩個主要原因。首先，這種光的總功率很小:每平方米空間只有幾十納瓦。它是造成時空曲率的所有形式的能量的總和，而正是這些能量的團塊形式——也就是靜止質素不為零的能量——導致了空間中局部的重力效應。宇宙中所有光中編碼的總能量大約是臨界能量密度的0.01%，而暗物質的總能量需要達到臨界能量密度的27%左右。即使我們偏離了2倍、10倍或100倍，我們也無法解釋暗物質的存在。
但另一個原因也許更令人信服:只有靜止質素不為零的東西才能表現為暗物質，而據我們所知，光是沒有質素的。事實上，如果它不是無質素的，那麽它就不會以光速運動，在這種情況下我們有明顯的限制。
在重力波和Gamma射線訊號到達的幾個小時後，光學望遠鏡瞄準合並的星系幾乎即時觀察到爆炸的地點變亮和變暗。
早在2017年，就出現了一個令人難以置信的觀察結果。2017年8月17日，費米Gamma射線暴監測儀探測到一組局部高能光子:這是Gamma射線暴的經典特征。Gamma射線暴有兩種，一種是短暴(少於2秒)，被懷疑是由中子星合並引起的，還有一種是長暴(超過2秒)，被認為是由大質素快速旋轉的恒星的核心塌縮引起的。看到短周期Gamma射線暴是令人興奮的，但它不會給科學界帶來革命性的變化。
至少，不是它自己。值得註意的是，就在幾秒鐘之前——正如後來的分析所顯示的那樣——LIGO和處女座重力波探測器也發現了一個重力波訊號，這個訊號在天空中精確地定位在同一個位置。這個訊號只被觀測了大約10秒，但它具有兩個大質素致密物體最終的吸入和最終合並的所有特征。這個訊號突然在一個特定的時間點結束，與合並本身相對應，後來被確定為兩顆中子星在大約1.3億光年之外合並。
然後，僅僅1.7秒後，Gamma射線就一下子到達了費米探測器。
藝術家描繪的兩顆合並的中子星。起伏的時空網格代表了碰撞發出的重力波
想想看。一個事件發生了:兩個巨大的、緊湊的天體在一個特定的時刻合並在一起。這些重力波以光速在宇宙中傳播，穿越了大約1.3億光年的距離。(是的，忽略宇宙的膨脹對於這麽近的物體來說是可以的;排除它會導致距離/旅行時間誤差小於1%。)在合並行生的同一時刻，產生了高能光子，它們也穿過宇宙，穿越1.3億光年的距離，直到它們到達我們的探測器。
這就是我想讓你們思考的:兩個幾乎同時發出的訊號(相距不到2秒)，在太空中旅行了1.3億年——大約4 × 1015秒——到達最終目的地的時間間隔不到2秒。它們就像一場超級超級馬拉松一樣，彼此針鋒相對，它們以同樣的速度移動，精度超過千萬億分之一。換句話說，如果光子有質素，那麽這個質素一定非常小，以至於在超過1億年的時間間隔內，一個競速的光子和一個競速的重力波在穿越的距離上沒有任何明顯的區別!
任何在宇宙中穿行的宇宙粒子，無論速度或能量如何，都必須與大爆炸遺留下來的粒子的存在相抗衡。
事實上，有許多證據表明，光子的質素也有同樣強大的上限，太陽風的磁流體動力學效應提供了最強大的極限，即它的靜止質素必須小於10-18 eV/c2，或者小於質子質素的十億分之一。如果光子確實有靜止質素，那麽這個靜止質素一定是極小的。
這就足以殺死作為暗物質候選者的光子。
「等一下，」「如果它有質素，那麽它就會表現得像物質。它會聚集在一起，產生重力，如果它不能脫離被重力束縛的星系或星系團，它的行為會不會像暗物質一樣?」
你是正確的。如果一個光子有質素，如果它的動能很小，以至於落入一個星系或星系團，那麽它將有助於增加該結構的靜止質素。它會被重力吸引，它自己不會發光。它的功能就像暗物質一樣。
一個僅由正常物質控制的星系(左)，其外圍的旋轉速度要比中心的低得多，這與太陽系中行星的運動方式相似
然而，它不能解釋宇宙中暗物質的存在。原因很簡單:即使光子有質素，我們還是要問，「我們在宇宙中擁有的光子到底擁有多少能量?」即使對於波長最長、能量最低的光子，答案也是「比它們所能擁有的最大允許靜止質素要多得多的能量」。事實上，如果你想讓光子以比光速慢的速度運動，它們就必須加長，使它們的波長大於10億公裏:比太陽到木星的近似距離大一點。
這就是問題所在:暗物質不會落入宇宙中已經存在的巨大團塊中。相反，暗物質推動了宇宙中大質素團塊的初始形成，也是我們所看到的大規模結構形成的主要原因。這意味著暗物質需要以非相對論的方式運動，或者以比光速慢的速度運動，從非常非常早的時候開始。這就是為什麽有時候，你會聽到熱暗物質、暖暗物質和冷暗物質的區別。宇宙非常關心暗物質在任何時候的運動速度與光速相比有多快。
在宇宙中形成的暗物質結構(左圖)和由此形成的可見星系結構(右圖)從上至下展示了冷、熱、熱暗物質宇宙。
為了與我們的觀測結果相一致，幾乎100%的暗物質都是冷的，這意味著即使在早期，即使在宇宙比現在更熱、密度更大、能量更大的時候，暗物質的運動速度也一定比光速慢。
事實上，宇宙實際上充滿了一種熱暗物質:微中子，在熱大爆炸的早期階段，微中子和光子一起被大量創造出來。微中子的靜止質素至少比光子所能達到的最大質素大萬億倍，而且在宇宙已經存在數億年之前，微中子的運動速度不會比光速慢。
光子，即使是能量最低的光子，相對於光的速度仍然會移動得很快。即使它們確實有質素，即使它們確實像暗物質一樣，它們也不能解釋我們在宇宙中實際存在的暗物質。它們的天體物理學效應不能正確地解釋對星系、星系團、宇宙網的觀測，以及我們在宇宙微波背景中觀察到的不完美。暗物質一定是別的東西。
軸子是暗物質的主要候選者之一，在適當的條件下，軸子可能會轉化為光子(反之亦然)。
原則上，大質素光子能夠解釋我們在宇宙中實際擁有的暗物質的唯一方法是，它們是在大爆炸之後以某種方式產生的，幾乎完全沒有動能:如果它們在某種程度上是冷的。雖然這聽起來很瘋狂，但實際上有一種候選暗物質體子，它的質素很小，並且具有靜止時產生它們的機制:軸子。
雖然我們所知道的光子不遵守這些規則，但理論家們已經對可能的規則進行了非常聰明的修改，要麽是修改後的光子——加上一個額外的機制，使它們以非常低的能量大量誕生——要麽是一種相關類別的粒子，被稱為暗光子，可能成為某種暗物質的候選者。然而，根據我們所知道的麥克斯韋電動力學和費曼量子電動力學的規律，光表現為輻射，而不是任何類別的物質。
暗物質可能是什麽有很多可能性。不幸的是，沒有一個標準模型中的粒子，甚至包括一個大質素的光子，能夠完成這項工作。
