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暗物质究竟是什么?暗物质可能是温的,而不是冷的

2019-08-10
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暗物质在宇宙物质总量中的比重达到84%,但不放射、不吸收也不反射光线,同时也不产生任何已知形态的辐射。暗物质完全不带电磁荷,只通过引力与其它物质发生交互。暗物质并非由原子或者电子、质子和中子等原子构件组成,特性充满神秘色彩。根据科学家提出的理论,暗物质由某种新型粒子构成,这些粒子符合宇宙定律,但并未在常规粒子物理学研究中出现。

暗物质究竟是什么?科学家尚无法给出确切答案


自上世纪60年代“广义相对论的黄金时代”以来,科学家便坚信宇宙中的大部分物质都是神秘莫测的暗物质。科学家采用“两手抓”的策略,希望能够揭示暗物质的谜团。一方面,天体物理学家试图找到构成暗物质的粒子。另一方面,他们还努力寻找理论基础,来解释暗物质的行为。一直以来,科学家讨论焦点的都是“暗物质究竟是热是冷”?由于相对比较简单,冷暗物质模型一直更胜一筹。

LCDM宇宙学模型艺术概念图


根据哈佛-史密森尼天体物理学中心进行的一项新研究,暗物质可能是温的。这一结论立基于星系形成模拟,所采用的宇宙模型包含温暗物质。这些模拟由哈佛-史密森尼天体物理学中心、麻省理工学院卡维利天体物理学与空间研究所、波茨坦莱布尼茨天体物理研究所以及多所大学组建的一支国际研究小组进行。研究论文于最近刊登在《皇家天文学会月报》上。


大爆炸后10亿年,暗物质对宇宙的演化产生深远影响。从星系形成到宇宙微波背景辐射的分布,暗物质据信在宇宙的方方面面都扮演角色。包含暗物质作用的宇宙学模型不仅得到两种截然不同的宇宙结构的观测结果的支持,同时也符合宇宙膨胀速度等宇宙参数。

星系形成模拟图,当时的宇宙在10亿岁左右


根据最被广泛认可的暗物质模型,暗物质只通过引力与其它物质或辐射发生交互。这个模型被称之为冷暗物质(CDM)模型。冷暗物质模型通常结合暗能量理论,也就是所说的LCDM宇宙学模型,其中的L代表暗能量理论。


研究论文主执笔人、哈佛-史密森尼天体物理学中心的天文学家索纳克·伯瑟指出:“冷暗物质模型是一个久经考验的热门模型。这主要是因为过去40年,科学家一直在利用冷暗物质进行预测,冷暗物质模型已成为一个标准范式。预测结果随后与实际数据进行比较。结果发现这个模型能够再现我们观察到的不同规模和不同类型的宇宙现象。”

涡状星系的可见光(左)和红外照片(右),由美国宇航局的哈勃太空望远镜拍摄


科学家利用所谓的“热暗物质”进行了大量宇宙演化模拟。这里的热暗物质是指中微子。中微子是一种与电子非常相似的亚原子粒子,但并不携带电荷。它们的质量很轻,以接近光速的速度在宇宙中穿梭。换句话说,它们在运动学上是“热的”。


利用中微子进行模拟结果显示,其预测分布与当前的宇宙截然不同。伯瑟指出:“出于这个原因,科学家开始考虑反向极限,即中微子在诞生时几乎没有任何速度,也就是‘冷的’。将这一因素考虑在内的模拟结果更契合宇宙的现代观测发现。在对相同星系团再次进行测试后,天文学家发现模拟宇宙与观测到的宇宙惊人契合。在随后的几十年,这种冷粒子经受住比星系团更严格的测试,通常都能顺利通过。”

电脑模拟的暗物质分布,橙色区域为宿主星系,蓝色为气体和暗物质


科学家之所以宠爱冷暗物质还有另一个原因,即至少理论上可以进行直接或者间接探测到这种物质。不过,这也正是冷暗物质模型的问题所在,因为目前所有探测冷暗物质粒子的尝试均以失败告终。为此,宇宙学家开始考虑其它可能的粒子,它们能够在更小层面与其它物质发生交互。


研究中,伯瑟的研究小组将目光聚焦“温”暗物质候选粒子。这种粒子能够与接近光速的超轻粒子发生微妙交互。它们能够与中微子发生交互。据信在炙热的宇宙初期,中微子普遍存在于宇宙中。因此,温暗物质的存在会产生重大影响。

艺术概念图,展示了银河核球及周围的暗物质晕轮


伯瑟指出:“在这个模型中,暗物质粒子可以与光子或者中微子等放射性粒子进行有限且微弱的交互。这些交互会在早期宇宙的团块结构中留下一个非常独特的印记。而这与冷暗物质模型描述的宇宙截然不同。”


为了测试这一点,研究小组利用哈佛和冰岛大学的超级计算机进行精密的宇宙学模拟。这些模拟考虑了大爆炸后10亿年到140亿年的星系形成受到温暗物质的影响。伯瑟表示:“我们进行的电脑模拟展现了经过140亿年演化后的宇宙图景。除了对暗物质构成进行建模,我们还模拟了恒星形成、超新星和黑洞的影响以及金属形成的相关信息。

136亿年前宇宙暗物质分布模拟图


研究小组将模拟结果进行比对,寻找能够区分不同结果的信号。根据他们的研究发现,在很多存在温暗物质影响的模拟中,这些影响非常微弱,无法被察觉到。不过,它们以某些非常独特的形式存在,尤其是在影响遥远星系的分布方面。


这种观测非常有意思,因为科学家可以借助下一代科学仪器在未来进行验证。伯瑟指出:“我们可以通过观测氢气分布,测绘早期宇宙的团块结构。从观测的角度上说,这是一项非常成熟的技术。我们可以通过观测遥远星系的光谱探测早期宇宙的中性氢。”

詹姆斯·韦伯望远镜艺术概念图,哈勃太空望远镜的接班人


遥远星系放射的光线在抵达地球前一定会穿过星系际介质。如果星系际介质存在大量中性氢,部分星系的辐射会被吸收。如果只存在少量中性氢,它们则畅通无阻。如果暗物质是冷的,会导致团块状氢气分布更明显。相比之下,温暗物质会导致振荡团块。


当前的天文观测仪器的解析度无法测算早期宇宙的氢气振荡。伯瑟指出这项研究为制造具备这种观测能力的新实验装置和新设施提供了动力。例如,像詹姆斯·韦伯望远镜这样的红外观测仪器可用于绘制新的氢气吸收分布图,帮助科学家证实温暗物质的影响或者排除这种可能性。此外,这项研究也会促使科学家思考其他可能性。


伯瑟指出这项研究的真正价值在于,理论预测能够促使科学家探索新疆界,测试我们已知学识的极限。“这是科学研究的真正意义所在。我们要做的就是做出一项预测,而后提出一种验证方式,最后通过实验来限制/排除这一理论。”


博科园|文:马特·威廉斯

漫步宇宙/qqtaikong

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