暗物質又出「模糊暗物質」新概念！天吶，已經有很多種暗物質了

2020-09-08 科學之美

暗物質很可能是醞釀宇宙中最早星系的起始成分，在大爆炸後不久，暗物質粒子就會聚集在一起形成引力「暈」，將周圍的氣體拉進它們的核心，隨著時間的推移，這些核心冷卻並凝聚成第一個星系。儘管暗物質被認為是宇宙結構的中堅力量，但科學家對其性質知之甚少，因為到目前為止，這些粒子一直沒有被探測到。現在麻省理工學院、普林斯頓大學和劍橋大學的科學家們發現，早期宇宙和最初的星系看起來會非常不同，這取決於暗物質的性質。

如果暗物質是「模糊的」，而不是冷暗物質或暖暗物質，研究團隊第一次模擬了早期星系形成的樣子。在最廣泛接受的情況下，暗物質是冷的（也就是冷暗物質），由緩慢移動的粒子組成，除了引力效應外，這些粒子與普通物質沒有相互作用。暖暗物質被認為是冷暗物質一個稍輕和移動更快的版本，而模糊暗物質，一個相對較新的概念，是完全不同的東西，由超輕粒子組成，每個粒子質量約為電子的十億分之一(10^-27)(冷暗物質粒子要重得多，大約是電子質量的10^5倍)。

在研究模擬中，研究人員發現，如果暗物質是冷的，那麼早期宇宙中的星系將在接近球形的暈中形成。但是，如果暗物質的性質是模糊暗物質或暖暗物質，那麼早期的宇宙看起來會非常不同，星系首先在延伸的尾巴狀細絲中形成。在模糊暗物質的宇宙中，這些細絲會出現條紋，就像豎琴上點亮星光的弦。隨著新的望遠鏡上線，將能夠看到更遠的早期宇宙，科學家或許能夠從星系形成的模式中，推斷出暗物質的性質是「模糊」的，而不是冷暗物質或暖暗物質。

暗物質佔宇宙中近85%的物質

麻省理工學院Kavli天體物理和空間研究所的物理學副教授Mark Vogelsberger是發表在《物理評論快報》上這項研究的合著者，該論文主要作者是普林斯頓大學的Philip Mocz和劍橋大學的Anastasia Fialkov，以及以前的蘇塞克斯大學。雖然暗物質還沒有被直接探測到，但描述暗物質為冷的假設已經被證明成功地描述了可觀察宇宙的大規模結構，因此，星系形成模型是基於冷暗物質的假設。

問題是，在對冷暗物質的觀察和預測之間存在一些差異。例如，如果觀察非常小的星系，這些星系中暗物質的推斷分布與理論模型預測並不完全一致，因此那裡存在著「張力」。然後，進入暗物質的另一種理論，包括暖暗物質和模糊暗物質，這是近年來研究人員提出的。暗物質的本質仍然是一個謎，模糊暗物質是由基礎物理(例如弦理論)驅動的，因此是一個有趣的暗物質候選者。宇宙結構是驗證或排除這種暗物質模型的關鍵。

模糊暗物質是由非常輕的粒子組成，它們以量子、波狀的方式活動，而不是單獨的粒子。這種模糊暗物質的量子性質可能產生了早期星系，這些星系看起來與標準模型對冷暗物質的預測完全不同。即使在晚期宇宙中，這些不同的暗物質場景可能會預測出類似的星系形狀，但第一個星系將是截然不同的，這將給我們提供關於暗物質是什麼的線索。

為了了解冷暗物質和模糊暗物質的早期宇宙有多麼不同，研究人員模擬了早期宇宙的一個小立方體空間，直徑約為300萬光年，並將其向前運行，以觀察在三種暗物質場景之一：冷、溫暖和模糊的情況下，星系將如何形成。該團隊通過假設暗物質的某種分布開始每一次模擬，科學家們根據宇宙微波背景，在宇宙大爆炸後40萬年被探測到的「遺蹟輻射」測量，對暗物質的分布有了一些了解。暗物質沒有恆定的密度，即使在早期，在恆定密度場的頂部有微小擾動。

豎琴弦的宇宙地圖

研究人員能夠使用現有算法在冷暗物質和暖暗物質的情況下模擬星系形成。但是為了模擬具有量子性質的模糊暗物質，需要一種新的方法。研究人員修改了對冷暗物質的模擬，使其能夠解決兩個額外的方程，以便模擬模糊暗物質宇宙中的星系形成。第一個方程，薛丁格方程，描述了量子粒子如何充當波，而第二個方程，泊松方程，描述了該波如何產生密度場，或暗物質的分布，以及這種分布如何導致引力-最終吸引物質形成星系的力量。

然後將這一模擬與描述宇宙中氣體行為的模型相結合，以及氣體凝聚成星系的方式，以響應引力效應。在這三種情況下，星系都是在密度過大或重力塌陷的暗物質大量聚集的地方形成。然而，這種暗物質的模式是不同的，這取決於它是冷暗物質，暖暗物質，還是模糊暗物質。在冷暗物質情況下，星系形成於球狀暈以及較小的次暈中。暖暗物質產生了第一個尾巴狀細絲的星系，沒有亞暈。這可能是由於暖暗物質更輕，移動更快的性質，使得粒子不太可能停留在較小的次暈團塊中，類似於暖暗物質，模糊暗物質沿著細絲形成恆星。

但是後來量子波效應「接管」了形成星系的過程，形成了更多條紋的細絲，就像看不見的豎琴上的弦。這種條紋圖案是由於幹擾，當兩個波重疊時就會產生這種影響。當這種情況發生時，例如在光波中，每個波的波峰和波谷對齊點形成較暗斑點，形成亮和暗區域的交替圖案。在模糊暗物質的情況下，而不是亮點和暗點，它產生了暗物質密度過高和過低的交替模式。在這些過密度處得到大量重力拉力，氣體也會隨之而來，並且在某個點上會沿著這些過密，而不是不足密度形成星系，這幅圖畫將在整個早期宇宙中複製。

該團隊正在開發更詳細預測早期星系在由模糊暗物質主導的宇宙中可能是什麼樣子。目標是為即將到來的望遠鏡提供一張地圖，例如詹姆斯韋伯太空望遠鏡，它可能能夠追溯到足夠遠的時間來發現最早星系。如果看到了絲狀星系，例如Mocz，Fialkov，研究人員模擬的那些星系，這可能是暗物質本質是模糊暗物質的第一個跡象。基於對早期宇宙的觀察，可以為暗物質的性質提供這種觀測測試，這將在未來幾年內變得可行。

博科園｜研究/來自：麻省理工學院

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.141301

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