暗物質本質新理論解釋了星系中的神秘缺陷

2020-09-10 科技領航人

加州大學裡弗賽德分校的物理學家領導的一項研究表明，有關暗物質性質的新理論有助於解釋為什麼距地球約6500萬光年的一對星系中幾乎不含神秘物質。

暗物質是不發光的，無法直接看到。認為它構成了宇宙中85％的物質，其本質尚不為人所知。與普通物質不同，它不吸收、反射或發光，因此很難檢測。

流行的暗物質理論（稱為冷暗物質或CDM）假定除引力外，暗物質粒子無碰撞。第二種新理論稱為自相互作用暗物質或SIDM，提出了通過新的暗力自相互作用的暗物質粒子。兩種理論都解釋宇宙整體結構如何出現，但它們預測了星系內部區域的暗物質分布不同。SIDM建議暗物質粒子在星系的內部暈圈中（靠近中心）強烈碰撞。

通常，可見的星系由一個看不見的暗物質光環所佔據，該暗物質是一個圍繞球團並通過引力保持在一起的，形狀像球狀濃縮物質團。然而，最近對兩個超擴散星系NGC 1052-DF2和NGC 1052-DF4的觀察表明，這對星系含有的（如果有的話）暗物質非常少，這對物理學家對星系形成的理解提出了挑戰。天體觀測表明，NGC 1052-DF2和NGC 1052-DF4可能是NGC1052的衛星星系。

圖註：於海波（Hai-Bo Yu）是一位理論物理學家，在暗物質的粒子特性方面具有專業知識。

「通常認為，暗物質在星系系中佔主導地位。」加利福尼亞大學河濱分校（UCR）物理與天文學副教授於海波（Yu Hai-Bo Yu）表示，「對NGC 1052-DF2和-DF4的觀察表明，它們的暗物質與恆星質量之比約為1，比預期的低300倍。為了解決這一差異，我們認為DF2和DF4暈可能通過與大規模NGC 1052星系的潮汐相互作用而失去了大部分質量。」

由UCR領導的小組使用模擬，通過NGC1052的潮汐剝離（通過銀河潮汐力剝離物質）再現了NGC 1052-DF2和NGC 1052-DF4的特性。由於衛星星系無法利用自身的引力固定剝離的質量，因此有效地將其添加到NGC 1052的質量中。

研究人員同時考慮了CDM和SIDM方案。他們的結果發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，表明SIDM形成了暗物質缺乏的星系，例如NGC 1052-DF2和-DF4遠比CDM更有利，因為內部暈圈的潮汐質量損失更顯著，而恆星分布更在SIDM中擴散。

該研究論文已被該雜誌選為「編輯建議」，該榮譽是每周只有少數論文能夠促進跨領域閱讀。

於海波解釋說，CDM和SIDM暈圈中都可能發生潮汐質量損失。在CDM中，內部光暈結構是「硬」的並且對潮汐剝離具有彈性，這使得典型的CDM光暈很難在潮汐場中失去足夠的內部質量，來適應NGC 1052-DF2和-DF4的觀測。相比之下，在SIDM中，暗物質的自相互作用，可能會將暗物質粒子從內部推向外部區域，從而使內部光暈「更蓬鬆」，並相應地增加了潮汐質量損失。此外，恆星分布變得更加分散。

於海波說：「即使在潮汐演化之後，典型的CDM暈在內部區域仍然過大。」

接下來，研究小組將對NGC 1052系統進行更全面的研究，並探索新發現的具有新穎性質的星系，以更好地了解暗物質的性質。

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