自20世纪60年代“ 广义相对论的黄金时代 ”以来,科学家们认为宇宙的大部分都是由一种被称为“ 暗物质 ” 的神秘无形物质组成。从那以后,科学家们试图用双管齐下的方法来解决这个谜团。一方面,天体物理学家试图寻找可以解释这一质量的候选粒子。

另一方面,天体物理学家试图找到可以解释暗物质行为的理论基础。到目前为止,争论集中在它是“热”还是“冷”的问题上,由于其相对简单,冷的观点比较占优势。然而,由哈佛 - 史密森尼天体物理中心(CfA)领导的一项新研究revits Dark Matter可能实际上是“温暖”的想法。

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


当它出现时,Dark Matter被恰当地命名。对于初学者来说,它占宇宙质量的大约84%但是既不发射,也不吸收或反射光或任何其他已知形式的辐射。其次,它没有电磁荷,除了通过引力之外不与其他物质相互作用,这是四种基本力中最弱的。

第三,它不是由原子或它们通常的构件(即电子,质子和中子)组成,这有助于它的神秘性。因此,科学家们推测它必须由一些符合宇宙定律的新物质组成,但在传统的粒子物理研究中并没有出现。

无论其真实本质如何,自从大爆炸事件发生大约10亿年以来,暗物质对宇宙的演化产生了深远的影响。事实上,人们认为它在从星系的形成到宇宙微波背景(CMB)辐射分布的各个方面发挥了关键作用。


大约十亿年前两个星系形成的模拟图

更重要的是,考虑到暗物质所起作用的宇宙学模型得到了对这两种截然不同的宇宙结构的观察的支持。而且,它们与宇宙参数一致,如宇宙膨胀的速度,它本身受到神秘的,不可见的力(称为“ 暗能量 ”)的影响。

目前,最广泛接受的暗物质模型假设它不会与重力影响之外的任何其他物质或辐射(包括其自身)相互作用 - 即它是“冷”的。这就是所谓的冷暗物质(CDM)场景,它通常与LCDM宇宙学模型形式的暗能量理论(由Lambda表示)相结合。

正如CfA的天文学家和研究的主要作者Sownak Bose博士通过电子邮件向今日宇宙解释:

“[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。“

正如他所描述的那样,在宇宙演化的数值模拟使用“热暗物质”(在这种情况下是中微子)进行数字模拟之后,冷暗物质场景成为了领跑者。这些亚原子粒子非常类似于电子,但没有电荷。它们也很轻,以近乎光速的速度穿过宇宙(换句话说,它们在运动学上很“热”)。

这些模拟表明,预测的分布看起来与今天的宇宙无关,“Bose补充道。“出于这个原因,开始考虑相反的限制,当它们出生时几乎没有任何速度的粒子(又称”冷“)。包含该候选者的模拟更符合现代宇宙观测。

“在进行了与以前相同的星系聚类测试之后,天文学家发现了模拟广告观测到的宇宙之间的惊人一致性。在随后的几十年中,冷颗粒通过比简单的星系聚类更严格,非平凡的测试进行了测试,并且它通常以漂亮的颜色通过这些测试。

另一个吸引力的来源是,冷暗物质(至少在理论上)应该是直接或间接可检测的。然而,这是CDM遇到麻烦的地方,因为到目前为止所有检测单个粒子的尝试都失败了。因此,宇宙学家已经考虑考虑其他可能与其他物质具有更小水平相互作用的候选者。

这就是CfA的天文学家Sownak Bose试图与他的研究团队决定。为了他们的学习,他们专注于一个“温暖的”暗物质候选人。该理论粒子具有与接近光速移动的非常轻的粒子巧妙地相互作用的能力。

特别是,它可以与中微子相互作用,中微子是HDM场景的前者。人们认为中微子在炎热的早期宇宙中非常普遍,因此“温暖的”暗物质的存在会产生强烈的影响。

“在这类模型中,暗物质粒子可以与光子或中微子等辐射物质进行有限(但弱)相互作用,”Bose博士说。“这种耦合在早期的宇宙'凹凸'中留下了一个相当独特的印记,这与暗物质是一个冷粒子时的预期有很大的不同。”

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。“

然后,团队将结果相互比较,以确定可以区分彼此的特征签名。他们发现,对于许多模拟来说,这个温暖的暗物质的影响太小而不明显。然而,它们以一些不同的方式存在,特别是在遥远的星系分布在整个太空中的方式。

这一观察结果特别有趣,因为它可以在未来使用下一代仪器进行测试。“这样做的方法是通过观察氢气的分布来早期绘制宇宙的凹凸,”Bose博士解释说。“从观测的角度来看,这是一项成熟的技术:我们可以通过观察遥远星系(通常是类星体)的光谱探测早期宇宙中的中性氢。”

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

简而言之,从遥远的星系向我们传播的光必须通过星系间介质。如果在介入介质中存在大量中性氢,则来自星系的发射线将被部分吸收,而如果几乎没有,则它们将不受阻碍。如果暗物质真的很冷,它将以氢气的“更大”分布的形式出现,而WDM场景将导致振荡的块状物。

目前,天文仪器没有必要的分辨率来测量早期宇宙中的氢气振荡。但正如博斯博士指出的那样,这项研究可以为新实验和能够进行这些观察的新设施提供动力。

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,真正的价值来自这样一个事实:这些理论预测可以刺激观察到新的领域,并测试我们认为我们所知道的极限。“这就是科学真正的全部,”他补充道,“做出预测,提出测试方法,进行实验,然后限制/排除理论!”