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70亿光年外的"胖子"星系团,为何让暗物质理论犯了难?

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抬头看夜空,你看到的是星星。但把望远镜对准足够远的地方,你会看到一些"不该存在"的东西——比如一个绰号叫"胖子"的星系团。


它距离地球大约70亿光年,由两个正在碰撞的区域组成,合并质量超过2000万亿个太阳质量。因为实在太重,天文学家给它起了个外号:El Gordo,西班牙语里"胖子"的意思。

问题不在于它大,而在于它出现得太早了。在那个宇宙年龄还相对年轻的时期,这么大的星系团本不该成形。它大到什么程度?一些天文学家干脆把它当作标准宇宙学模型的反例——按照现有理论,冷暗物质在暴胀宇宙中很难这么快就攒出这么一个庞然大物。

一项新研究想试试另一条路:如果暗物质能和自己"打架"呢?

先说暗物质是什么。它占了宇宙质量的大头,但几乎不和光打交道——这也是它名字的由来。同样,它也不怎么和普通物质互动,因为普通物质的相互作用大多是电磁性的。真正悬而未决的问题是:暗物质能不能和它自己强烈互动?

主流看法是不能。观测显示暗物质总体上是"冷"的,也就是说暗物质粒子动能不高。可如果它们能互相碰撞,就会像普通物质碰撞生热一样,一直保持"温热"状态。自相互作用暗物质(SIDM)确实有可能催生出El Gordo这样的早期星系团,但代价是会产生大量温暗物质——这又和观测对不上。

为了绕开这个矛盾,新研究提出了一个"两态"方案。

先看普通物质怎么互动。你房间里的空气分子彼此弹来弹去,基本不损失能量,这叫弹性碰撞,所以室温能保持稳定。如果碰撞是非弹性的,每撞一次就掉一点能量,房间会迅速冷下来。大多数SIDM模型假设的也是弹性碰撞。把参数微调一下,确实能加快星系聚集,又不至于把暗物质烘得太热——但这条路的结果一直好坏参半。

这次作者考虑的是另一种暗物质模型:它有基态,也有激发态。在这个两态框架下,大部分碰撞仍是弹性的,和普通物质一样。但只要能量合适,一次碰撞就能把暗物质粒子踢进激发态,从而从碰撞中抽走动能。这样一来,暗物质粒子既能聚在一起,又能同时降温。

基于对El Gordo两个碰撞区域的N体模拟,同时包含弹性和非弹性碰撞的两态SIDM模型,是对观测数据拟合得最好的方案——优于无相互作用模型,也优于只有弹性碰撞的模型。

但这里有个前提得说清楚:El Gordo的精确质量和两个区域的碰撞速度,目前仍有相当大的不确定性。如果这个星系团落在估算范围的低端,两态模型就对不上数据了。所以这是一个可能的解释,而不是确定的答案。

说到底,在我们直接观测到暗物质粒子之前,各种可能性都还摆在桌面上。这项研究至少提示了一件事:暗物质,也许比我们以为的更复杂。

参考:Valdarnini, R. "Hydrodynamical simulations of the merging cluster El Gordo in a two-state self-interacting dark matter scenario." The Astrophysical Journal 1008.1 (2026): 105.

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