自(zi)20世纪60年代(dai)(dai)“ 广义相对(dui)论的(de)黄金时代(dai)(dai) ”以来(lai),科(ke)学(xue)家们认为宇宙的(de)大部分都是(shi)由一(yi)(yi)种被称为“ 暗物(wu)质 ” 的(de)神(shen)秘(mi)无(wu)形物(wu)质组(zu)成(cheng)。从(cong)那以后,科(ke)学(xue)家们试图用双管齐下的(de)方法来(lai)解决这个(ge)谜(mi)团(tuan)。一(yi)(yi)方面,天体物(wu)理学(xue)家试图寻找可以解释这一(yi)(yi)质量的(de)候选粒子(zi)。

另(ling)一方面,天体物(wu)(wu)理(li)(li)学家(jia)试图找到可以解释暗物(wu)(wu)质行(xing)为的理(li)(li)论(lun)基(ji)础。到目前为止,争论(lun)集中(zhong)在它是“热”还是“冷”的问题上,由于其相(xiang)对简(jian)单,冷的观点比较占优势。然而(er),由哈佛 - 史密森尼天体物(wu)(wu)理(li)(li)中(zhong)心(CfA)领导的一项新(xin)研究revits Dark Matter可能(neng)实(shi)际上是“温(wen)暖”的想法(fa)。

这是基于宇宙模型的宇宙学模拟,使用包含温暖暗物质的宇宙模型。模拟由CfA,麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所,莱布尼茨波茨坦天体物理研究所和多所大学的国际研究团队进行。该研究最近出现在皇家天文学会月刊中


科学家对LCDM宇宙学模型的表示


当它(ta)出现(xian)时,Dark Matter被恰当地命名。对(dui)于初学者来说,它(ta)占宇宙质(zhi)量的大约84%但是既(ji)不发(fa)射,也(ye)不吸收(shou)或反射光或任何其他已知(zhi)形(xing)式的辐射。其次,它(ta)没有电(dian)磁荷,除了通过引力(li)之外不与其他物质(zhi)相互(hu)作(zuo)用,这是四种基本力(li)中最(zui)弱的。

第(di)三,它(ta)不是由原子(zi)(zi)或它(ta)们通常(chang)的构(gou)件(jian)(即电子(zi)(zi),质子(zi)(zi)和中子(zi)(zi))组成(cheng),这有助(zhu)于(yu)它(ta)的神(shen)秘性。因此(ci),科(ke)学家(jia)们推(tui)测它(ta)必须(xu)由一些符合(he)宇宙定(ding)律的新物质组成(cheng),但在传统的粒子(zi)(zi)物理研究中并没有出现(xian)。

无论其真(zhen)实(shi)(shi)本质如何,自(zi)从大(da)爆(bao)炸(zha)事(shi)件发(fa)生大(da)约10亿年以来,暗物质对宇(yu)宙的演化产(chan)生了深远的影响。事(shi)实(shi)(shi)上(shang),人们认为它在(zai)从星系的形成到宇(yu)宙微波背景(CMB)辐射分布的各个方面发(fa)挥了关(guan)键作用。


大约十亿年前两个星系形成的模拟图

更重要的(de)(de)(de)是,考虑(lv)到暗物质所(suo)起作(zuo)用的(de)(de)(de)宇宙学模型得到了(le)对(dui)这两种(zhong)截(jie)然不同(tong)的(de)(de)(de)宇宙结构(gou)的(de)(de)(de)观(guan)察的(de)(de)(de)支持。而且,它们与宇宙参数一(yi)致,如宇宙膨胀的(de)(de)(de)速度(du),它本(ben)身受到神秘的(de)(de)(de),不可见(jian)的(de)(de)(de)力(称为“ 暗能量 ”)的(de)(de)(de)影响。

目(mu)前(qian),最广泛接(jie)受(shou)的暗(an)物质(zhi)模型假(jia)设它不会与重力影响之外的任何其他物质(zhi)或辐射(包(bao)括其自(zi)身)相(xiang)互作用 - 即它是(shi)(shi)“冷”的。这就是(shi)(shi)所谓的冷暗(an)物质(zhi)(CDM)场景,它通常与LCDM宇宙学(xue)模型形式的暗(an)能量理论(由Lambda表示)相(xiang)结合。

正(zheng)如CfA的(de)天文(wen)学家和(he)研究的(de)主要作(zuo)者Sownak Bose博士通(tong)过电子邮件向今日宇(yu)宙解(jie)释:

“[CDM]是经过最佳测试和首选的模型。这主要是因为在过去四十年左右的时间里,人们一直在努力使用冷暗物质作为标准范例进行预测 - 然后将这些范式与实际数据进行比较 - 发现一般来说,这个模型能够在各种尺度上重现各种观察到的现象。“

正(zheng)如(ru)他所描(miao)述的(de)(de)(de)那样(yang),在(zai)宇(yu)宙演(yan)化的(de)(de)(de)数值模(mo)拟使用“热暗(an)物质(zhi)”(在(zai)这(zhei)种情况下是中微子(zi))进行数字模(mo)拟之(zhi)后(hou),冷暗(an)物质(zhi)场景成(cheng)为了领跑者。这(zhei)些亚原子(zi)粒子(zi)非常类似(si)于电子(zi),但没(mei)有电荷。它(ta)们也很轻,以(yi)近乎光速(su)的(de)(de)(de)速(su)度穿过宇(yu)宙(换句话说,它(ta)们在(zai)运动学(xue)上很“热”)。

这些模拟表明,预测的(de)(de)分布看起来与今天的(de)(de)宇宙(zhou)无关,“Bose补充道。“出(chu)(chu)于这个原因(yin),开始考虑相(xiang)反的(de)(de)限制,当它(ta)们出(chu)(chu)生时(shi)几乎(hu)没有(you)任何速度的(de)(de)粒子(zi)(又(you)称”冷“)。包含该候选者的(de)(de)模拟更符合现代宇宙(zhou)观(guan)测。

“在进(jin)行了与以前相同(tong)的(de)(de)星系聚(ju)类(lei)测(ce)(ce)试(shi)之(zhi)后(hou)(hou),天文学家发(fa)现了模(mo)拟广告观(guan)测(ce)(ce)到(dao)的(de)(de)宇宙之(zhi)间的(de)(de)惊(jing)人(ren)一(yi)致性。在随(sui)后(hou)(hou)的(de)(de)几(ji)十年(nian)中,冷颗粒(li)通(tong)过(guo)比简单的(de)(de)星系聚(ju)类(lei)更严格(ge),非平凡(fan)的(de)(de)测(ce)(ce)试(shi)进(jin)行了测(ce)(ce)试(shi),并且它通(tong)常(chang)以漂亮的(de)(de)颜(yan)色通(tong)过(guo)这(zhei)些测(ce)(ce)试(shi)。

另一个吸引力(li)的(de)来源是,冷暗物质(至少在(zai)理论上)应(ying)该是直(zhi)接(jie)(jie)或间接(jie)(jie)可检测(ce)的(de)。然(ran)而,这是CDM遇到麻烦的(de)地方,因为到目前为止所有(you)检测(ce)单个粒子的(de)尝(chang)试都失败(bai)了。因此,宇宙(zhou)学家已(yi)经(jing)考虑考虑其他可能与其他物质具有(you)更小水(shui)平(ping)相互作用(yong)的(de)候选(xuan)者。

这就是CfA的(de)(de)天文学(xue)家(jia)Sownak Bose试(shi)图(tu)与他的(de)(de)研究团(tuan)队(dui)决定。为(wei)了(le)他们的(de)(de)学(xue)习,他们专注于(yu)一个“温暖的(de)(de)”暗物质候选人。该理论粒子(zi)具(ju)有与接(jie)近光速(su)移动的(de)(de)非(fei)常轻的(de)(de)粒子(zi)巧妙地相互(hu)作用的(de)(de)能力。

特(te)别是,它(ta)可以与中微(wei)(wei)(wei)子(zi)相互作用,中微(wei)(wei)(wei)子(zi)是HDM场景的(de)前(qian)者。人们认为(wei)中微(wei)(wei)(wei)子(zi)在炎热的(de)早期宇(yu)宙中非常普遍,因此“温暖的(de)”暗物质的(de)存(cun)在会产(chan)生强(qiang)烈的(de)影响。

“在(zai)这类模型(xing)中(zhong),暗物质(zhi)粒子可以(yi)与(yu)光(guang)子或(huo)中(zhong)微子等辐(fu)射物质(zhi)进行有(you)限(但(dan)弱)相互作用,”Bose博(bo)士(shi)说。“这种(zhong)耦合在(zai)早期的(de)宇宙'凹凸(tu)'中(zhong)留下(xia)了(le)一个相当独特的(de)印记,这与(yu)暗物质(zhi)是一个冷粒子时的(de)预期有(you)很大的(de)不同。”

美国宇航局哈勃太空望远镜拍摄的漩涡星系的可见光(左)和红外图像(右)

为了测试这一点,该团队在哈佛大学和冰岛大学的超级计算设施中进行了最先进的宇宙学模拟。这些模拟考虑了大爆炸后大约10亿到大约140亿年(大约现在),温暖和暗物质的存在将如何影响星系的形成。Bose博士说:


“[W]进行了计算机模拟,以生成这个宇宙在经过14亿年的演变后可能会是什么样子的实现。除了对暗物质成分建模外,我们还包括最先进的恒星形成处方,超新星和黑洞的影响,金属的形成。“

然(ran)后(hou),团队将(jiang)结(jie)果(guo)相(xiang)互比(bi)较(jiao),以(yi)确定可以(yi)区分彼此的(de)(de)(de)特征(zheng)签名。他们发现(xian),对于(yu)许多模(mo)拟来(lai)说(shuo),这个(ge)温暖的(de)(de)(de)暗物质(zhi)的(de)(de)(de)影(ying)响太小而(er)不明显。然(ran)而(er),它们以(yi)一(yi)些不同(tong)的(de)(de)(de)方(fang)式存(cun)在,特别是在遥远的(de)(de)(de)星系(xi)分布在整个(ge)太空中的(de)(de)(de)方(fang)式。

这一(yi)观察结果特别有趣(qu),因为它可以(yi)在未来使用下一(yi)代仪(yi)器进(jin)行测(ce)试。“这样做的方法是通(tong)(tong)过观察氢气的分布来早期绘制宇宙(zhou)的凹凸,”Bose博士(shi)解(jie)释说。“从观测(ce)的角度来看,这是一(yi)项成熟的技术(shu):我们可以(yi)通(tong)(tong)过观察遥远星系(通(tong)(tong)常(chang)是类星体)的光谱探测(ce)早期宇宙(zhou)中(zhong)(zhong)的中(zhong)(zhong)性氢。”

计算机模拟宇宙中物质的分布。橙色地区拥有星系; 蓝色结构是气体和暗物质

简(jian)而(er)(er)言之,从(cong)遥远(yuan)的(de)星(xing)(xing)系(xi)向我(wo)们传播的(de)光必须通过星(xing)(xing)系(xi)间介质(zhi)。如果在(zai)介入(ru)介质(zhi)中存在(zai)大量中性(xing)氢,则(ze)来自星(xing)(xing)系(xi)的(de)发射(she)线将被部分吸(xi)收(shou),而(er)(er)如果几乎没有(you),则(ze)它们将不(bu)受阻碍。如果暗(an)物质(zhi)真的(de)很冷,它将以氢气的(de)“更大”分布的(de)形式出现,而(er)(er)WDM场景将导致振荡的(de)块状物。

目前,天文仪(yi)器没(mei)有必要的(de)分辨率来测量早期宇宙中的(de)氢气振荡。但正(zheng)如博斯(si)博士指出的(de)那样,这(zhei)项研究可以(yi)为新实验和能够进行(xing)这(zhei)些(xie)观(guan)察(cha)的(de)新设施(shi)提(ti)供动力。

例如,像詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)这样的红外仪器可用于创建新的氢气吸收分布图。这些地图既可以确认温暖暗物质的影响,也可以将其作为候选者进行排除。人们还希望这项研究能够激发人们对已经考虑过的候选人的思考。

最后,正如博森博士所说(shuo),真(zhen)正的(de)价(jia)值(zhi)来自(zi)这样一个事实:这些理论预测(ce)可以刺激观察到(dao)新的(de)领域,并测(ce)试我们认为我们所知(zhi)道的(de)极限(xian)。“这就是科学真(zhen)正的(de)全部,”他补充道,“做(zuo)出(chu)预测(ce),提出(chu)测(ce)试方法,进(jin)行实验,然(ran)后限(xian)制/排除理论!”