新暗物质模型解答了天体物理学中的两个难题

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翻译：杨幸允

校对：牧夫校对组

编排：张莹

后台：朱宸宇

https://news.ucr.edu/articles/2023/12/06/new-dark-matter-theory-explains-two-puzzles-astrophysics

暗物质被认为占宇宙中总物质的 85%。暗物质不发光，我们也不清楚它的特性。（一般）物质会吸收、反射和发射光线，而我们无法直接观测暗物质，因此暗物质也更难被探测到。一种被称为 “自相互作用暗物质”（self-interacting dark matter, SIDM）的理论提出，暗物质粒子通过一种“暗力“（dark force）进行自相互作用。这些粒子在靠近星系中心的地方发生强烈的碰撞。

在一篇发表在《天体物理学报通信》的论文中，加利福尼亚大学河滨分校的物理和天文学教授郁海波和他的团队指出，自相互作用暗物质可以同时解释天体物理学中的两种极端又相反问题。

“第一个问题是大质量椭圆星系中的高密度暗物质晕，”郁教授说，“暗物质晕通过强引力透镜效应被探测到的，但是它的密度非常高，这在目前流行的冷暗物质理论中是几乎不可能出现的。第二个问题是在超弥散星系中的暗物质晕的密度非常低，而冷暗物质理论很难解释这个现象。”

暗物质晕是不可见物质环绕、弥漫在星系和星系团中所形成的晕。当遥远的星系发出的光在穿过宇宙时在大质量天体周围发生弯曲，这形成了引力透镜现象。 冷暗物质（或者CDM）范式/理论预设暗物质粒子之间没有碰撞。正如它们的名字所示，“超弥散星系”的光度非常低，而且星系中的恒星和气体非常分散。

LRG 3-757星系的强引力透镜效应。

图片来源：ESA/Hubble & NASA

卡耐基天文台和南加州大学的联合博士后伊桑·纳德勒（Ethan Nadler）和加利福尼亚大学河滨分校的博士后杨大能与郁教授合作完成了这项研究。

为了证明自相互作用暗物质能够解答这两个天体物理学难题，研究小组进行了首个包含了自相互作用暗物质模型在相对应的质量尺度上关于强引力透镜暗物质晕和超弥散星系的高分辨率宇宙结构形成模拟。

“暗物质粒子之间的这些自相互作用导致了暗物质晕中的热转移，这使得星系中心区域的暗物质晕得密度有了多种可能，”纳德勒说，“也就是说，与冷暗物质模型中得对应星系相比，有些暗物质晕的中心密度较高，有些暗物质晕的中心密度较低，而具体情况取决于宇宙得演化历史和各个暗物质晕所处的环境。”

研究团队称，这两个难题对于标准的冷暗物质模型构成了艰巨的挑战。

“冷暗物质模型受到这两个难题的挑战，”杨说到，“自相互作用暗物质可以说是解决这两个极端又相反的问题的优秀候选理论。目前文献中没有其他的解释。现在（在自相互作用暗物质理论中，）暗物质的构成有了一种吸引人的可能性，它可能比我们预想的更复杂和更‘有活力’。”

这项研究还表明，用天体物理观测获得数据，然后用计算机模拟宇宙结构形成，这样一套方法在暗物质探测的领域很有前景。

“我们希望我们的工作能够鼓励大家在这个前景广阔的领域开展更多的研究，”郁教授说，“我们研究的时机很好，因为在不久的将来，像韦布空间望远镜和将要开始运行的鲁宾天文台这样的天文观测项目会发回大量的数据。”

自2009年左右以来，郁教授和他的合作者的研究工作帮助发展了粒子物理学和天体物理学界中的自相互作用暗物质模型。

责任编辑：郭皓存

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