模擬與觀測的10倍差距，帶來暗物質的新問題

2020-10-30 北京科協

據科學家的計算，可觀測宇宙的直徑大約為930億光年，其中包含了至少兩萬億個星系。


我們地球所處的銀河系有上千億個恆星，大部分恆星可能都有各自的行星系統，恆星之間還有大量的氣體和塵埃。
但是，看似如此龐大的數量對整個宇宙而言不過是很小的一部分。最新計算表明，物質約佔宇宙總質量和能量的31%。我們可見的這些構成行星、恆星、星系的常規物質又僅僅佔到了總物質的20%，而剩下的80%是未知的、無法看見的暗物質。


最新計算表明，物質約佔宇宙的總質量和能量的31%，暗能量約佔69%。常規物質佔據物質的20%，其餘的80%是未知的暗物質。| 圖片來源：Mohamed Abdullah, UC Riverside
在我們「已知」的宇宙中，所有星系以及其中的恆星和行星等物質都由重子構成。重子是一種由三個夸克構成的複合粒子，質子和中子就是我們最熟悉的重子。暗物質則不同，它並不是由重子構成的，一些研究推測，它很可能是由粒子物理標準模型之外的新粒子構成。


粒子物理標準模型。一些研究推測，暗物質很可能由標準模型之外的新粒子構成。
上世紀70年代，美國天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin）觀測研究大量星系自轉曲線，發現星系外圍的旋轉速度遠超過預期。她由此推斷，存在大量看不見的物質在為星系提供質量，才能維持它們如此高速的旋轉。這一發現成了暗物質存在的重要線索，也是暗物質這一研究領域的裡程碑之一。
在先前的研究基礎之上，宇宙學標準模型（ΛCDM）提出，宇宙中存在大量冷暗物質，這種物質的運動速度等同於經典速度下運動的物質。由於運動速度較低，冷暗物質可以形成包裹著星系的巨大團塊，這些團塊被稱為暗物質暈。


暗物質暈示意圖。| 來源：Wayne Ngan/Frontiers for Young Minds
除了冷暗物質，還有其他暗物質模型提出了溫暗物質和熱暗物質的假想概念。這裡的「冷」和「熱」並非真的在說溫度，而是指粒子本身的大小相對於原星系的大小。而粒子的大小決定了運動的快慢，也決定了其熱力學性質，比如熱暗物質的速度接近光速。
但這些都只是科學家對暗物質做出的假設。由於暗物質不參與電磁相互作用，也就是說它不會發射、吸收或反射光，所以也就無法通過電磁波進行觀測和研究。因此，它一直是宇宙中最神秘的未解之謎之一。
在現代天文學研究中，科學家們會利用引力透鏡對暗物質進行探測。
根據愛因斯坦的廣義相對論，質量會使空間彎曲，從空間中經過的光便也會發生偏折。假如我們需要觀測一個十分遙遠的星系，但由於望遠鏡的能力有限，可能很難完成。但如果存在一個質量很大的星系團，正好位於地球和遙遠星系之間，這一星系團的巨大質量會使空間彎曲，光線就會像經過一個凸透鏡一樣發生偏折。於是，從地球上進行觀測時，遙遠星系看上去就會比它的實際大小更大，也更便於觀測研究。
當星系團的質量極大時，會形成強引力透鏡，這種效應不僅可以放大遙遠的星系，甚至可以讓我們觀測到多個像、一段弧或是一個圓環。


引力透鏡示意圖。| 來源：NASA, ESA and D. Player (STScI)
簡單來說，當利用引力透鏡效應探測暗物質時，觀測者可以通過望遠鏡的成像推導出遙遠星系的光線被彎曲的程度，從而計算出作為引力透鏡的巨大星系團的質量，然後將計算出的星系團質量和實際可見物質的質量進行比較，找出兩者之間的差異。這種質量上的差異可以歸結於包裹著星系團的暗物質暈。由此，科學家便能推測暗物質的存在，並計算出暗物質的質量。
在Science上刊登的一項新研究中，義大利博洛尼亞天體物理與空間科學天文臺的Massimo Meneghetti等天文學家，有了關於引力透鏡和暗物質的新發現。研究人員認為，聚集在星系團內部區域的暗物質可以導致嵌在整個大型引力透鏡中的小型引力透鏡效應。當這些小型引力透鏡足夠多且足夠密集的時候，就可能導致更強的引力透鏡效果，這一現象被稱為星系-星系強引力透鏡（Galaxy-Galaxy Strong Lensing，GGSL）。


GGSL示意圖，圖為哈勃望遠鏡拍攝的大型引力透鏡，其中(B),(C),(D)為3個嵌入的小型引力透鏡。| 圖片來源：[1]
基於ΛCDM的計算機模擬表明，GGLS現象應當比較少見，平均每10個星系團中才有一個星系團出現GGLS現象。然而，研究人員在分析了哈勃望遠鏡和智利甚大望遠鏡的觀測數據後發現，在11個星系團中竟出現了13例GGSL現象，也就是說，觀測結果與計算機模擬結果相差了10倍多。這似乎暗示著，實際星系團中高密度暗物質團塊要遠多於計算機模擬的結果。


橙色曲線表示模擬結果，其他曲線表示觀測結果，模擬結果和觀測結果相差不止一個數量級。| 圖片來源：[1]（圖片有簡略）
隨後，研究人員又進行了一些測試來研究這一偏差的來源。在原先的模擬中存在一項能量反饋，這一反饋可以抑制星系團內部恆星的產生，降低星系團內部暗物質的密度，從而使引力透鏡效果變弱。在其中一項測試中，研究人員在進行模擬時取消了一項能量反饋，但依然無法消除模擬與觀測結果之間的鴻溝。
觀測與模擬結果之間的不符有兩種解釋。一種是，計算機在進行模擬時所使用的方法仍有缺陷，模擬的精準度有限；而另一種則是，目前現代天文學對暗物質本身的性質所做出的假設（比如暗物質和常規物質只能發生引力作用這一性質）可能是錯誤的。
倫敦大學學院的宇宙學家Richard Ellis並未參與這項研究，他認為問題的根源更有可能在於計算機模擬，而不是暗物質本身。「星系團是非常危險的地方，無數星系彼此掠過，互相碰撞並被撕裂。模擬其中有多少個強引力透鏡是難度非常大的一件事。」
賓夕法尼亞大學的天體物理學家Bhuvnesh Jain同樣未參與研究。他認為，可以通過歐幾裡德空間望遠鏡、羅曼太空望遠鏡和魯賓天文臺收集更多數據，並進行後續的研究，或許更有可能幫助判斷出究竟是模擬方法出了錯，還是目前我們對暗物質的了解還不準確了。
參考來源：
[1] M. Meneghetti etal. An excess ofsmall-scale gravitational lenses observed in galaxy c.lusters. Science. Vol. 369, September 11, 2020, p. 1347. doi: 10.1126/science.aax5164.
[2] https://www.sciencenews.org/article/dark-matter-clumps-galaxy-clusters-bend-light-surprisingly-well
[3] Cowen, R. Tracing theArchitecture of Dark Matter. Science News. 1996, 149 (6):87–87. JSTOR 3979991. doi:10.2307/3979991.
[4] Silk, Joseph. The BigBang 1989. San Francisco: Freeman. 1980. chapter ix, page 182. ISBN 0716710854.
[5] http://cosmology.berkeley.edu/Education/CosmologyEssays/Gravitational_Lensing.html
[6] https://phys.org/news/2016-08-dark-matterhot.html

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