冷暗物質你行不行？不行就換別人！

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翻譯：葛文迪

校對：牧夫校對組

編排：陶邦惠

後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦 胡永葳 董騰晨

原文鏈接：

https://phys.org/news/2022-02-distant-galaxies-true-nature-dark.html

不論是銀河周邊還是數十億光年外的旋渦星系的中央，都存在一個球形區域，這個區域裡面的暗物質有兩個典型特徵：隨時間推移，半徑持續增大，密度均一且持續減小。這表明，在組成暗物質的基本粒子與組成常見物質的粒子（質子、電子、中子和光子）之間，存在直接的相互作用。而現在人們描述宇宙的主流理論是Λ-冷暗物質模型，其假定冷暗物質粒子是惰性的，與其它粒子除了引力之外不會有其它相互作用。很明顯，二者之間存在根本上的衝突。

在一篇近期發表於《天文與天體物理雜誌》的研究中，完成了上述發現。由來自SISSA的吉奧莉•沙瑪（Gauri Sharma）和保羅·薩魯西（Paolo Salucci）主持，與維也納大學的格倫·範德萬（Glen Van de Ven）合作。這項研究分析了大量的遙遠星系（其中一些甚至位於七十億光年之外），對於現代物理學中最令人困惑的問題，從新的角度一探究竟。我們根據暗物質和可觀測天體見的相互作用而構建了了一些暗物質理論，但暗物質的直接存在卻一直沒能證實。暗物質難以捉摸，在許多專門建造的地下實驗室以及天體物理觀測實驗的共同努力下，還是沒有被直接觀測到。而據作者所說，這次研究標誌着我們對暗物質的理解更進了一步。

最新的一項SISSA研究表明，位於旋渦星系中央的巨大球形區域中，組成暗物質暈的基本粒子與組成普通物質的基本粒子之間有直接的相互作用。

圖片來源：Buddy Nath

研究遙遠星系中的暗物質

吉奧莉•沙瑪解釋道：“人們觀察到，星系中恆星和氫分子云的運動彷彿被一種‘隱形’物質的引力所支配，由此確定了暗物質在星系中的主導地位，現認爲宇宙中84%的物質是由暗物質組成。”在這之前，人們對暗物質的研究都着眼於靠近銀河系的星系，她繼續解釋道：“在這項研究中，我們開創性地觀測了那些與鄰近星系形態相同但卻遙遠很多的星系，並對其質量分佈進行分析研究。因爲這些星系很遠，我們觀測的是它們大約七十億年前的情況。我們通過研究這些旋渦星系的前身，對暗物質粒子的性質做出判斷。”

保羅·薩魯西補充道：“通過對大約300個遙遠星系中恆星運動的研究，我們發現這些星系中都有一個從星系中央向外延伸的暗物質暈，而這個暗物質暈的中心有一個密度均一的區域。”這一特點在鄰近星系中已經廣爲人知。但是對這個中央區域的新的研究，卻得到了一些與當下標準宇宙模型內容相沖突的結果。

沙瑪說：“通過對比如今的星系和它們七十億年前的前身，我們發現這個區域不僅有着難以解釋的均一密度，而且其尺寸隨着時間推移也在不斷增大，就好像正在經歷一個膨脹和稀釋的過程。”如果暗物質像Λ-冷暗物質模型中所假設的那樣不與其它物質有相互作用，那麼這個現象將會很難解釋。沙瑪表示：“我們在發表的文章中給出了暗物質與普通物質直接相互作用的證據，即隨着時間推移，從星系中央向外緩慢形成一個密度均一的區域。”

在幾十億光年外的旋渦星系的中央，是一個由暗物質粒子組成的巨大球形區域。這個區域有兩個典型特徵：隨時間推移，半徑持續增大，密度均一但持續減小。

圖片來源：Gauri Sharma

緩慢卻不可阻擋的過程

薩魯西聲稱：“這裡提到的密度均一的區域，會隨着時間推移而膨脹，這是一個非常緩慢但是不可阻擋的過程。”

對此如何解釋呢？最簡單的解釋就如發表在《天文與天體物理雜誌》的文章中描述的那樣，在星系形成之初，球形暈中的暗物質分佈如Λ-冷暗物質模型所預測的那樣，在中央處密度最大；隨後，星系盤在這種極其緻密的暗物質粒子組成的暈中形成；如果我們假設暗物質和普通物質存在額外的相互作用的話，隨時間推移，暗物質粒子被恆星捕獲或被推到星系外圍，這個過程就會在暗物質暈中形成一個密度均一的球形區域，隨着尺寸均勻增大，最終達到星系盤。

沙瑪稱：“這項研究結果給Λ-冷暗物質模型以外的暗物質理論也提出挑戰。熱暗物質、自相互作用暗物質和超輕暗物質，這些模型也都要對這一區域的時間演化做出解釋。這些星系在時間和空間上都距離我們非常遙遠，給宇宙學家們研究暗物質推開了真正的大門。” 薩魯西指出：“這裡值得注意的是，誠如尼采的哲學那樣，通過已有理論推導得到的具有簡潔數學形式的結果，可能不是這個謎題的真相。正相反，通過對一個被忽視並與人們所熟知的理論毫無關係的理論推導，由複雜晦澀的觀測現象所確定，這樣得到的結果可能纔是謎底。”

責任編輯：郭皓存

牧夫新媒體編輯部

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心狀星雲的中心圖片來源及版權：Adam Jensen

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