星系中暗物質如何分布的奧秘，被科學家發現了

2020-10-30 科技領航人

宇宙中物質集中在星系、恆星和行星中的引力是由所謂的「暗物質」提供的，它從大爆炸時幾乎是均勻的狀態演化到現在。但是，儘管這種「額外的物質起著至關重要的作用，我們對它的性質、行為和組成幾乎一無所知，這是現代物理學的基本問題之一。

圖註：在計算機上模擬的兩個星系中的暗物質。 它們之間的唯一區別是暗物質的性質。 左側無碰撞，右側無碰撞。 這項工作表明，實際星系中的暗物質看起來更像右邊的圖像，比左邊的圖像更不團塊，更彌散。圓圈標誌著銀河系的盡頭。

在最近的《天文學與天體物理學快報》中，加納裡亞斯天文學家的科學家（ IAC）/拉古納大學（ULL）和布宜諾斯艾利斯省西北國立大學（阿根廷胡寧）的研究表明，星系中的暗物質遵循「最大熵」分布，揭示了其性質。

暗物質佔宇宙物質的85％，但暗物質的存在僅在天文尺度上顯示。也就是說，由於其弱相互作用，只有在大量存在時才可以注意到淨效果。由於它很難冷卻，因此它形成的結構通常比行星和恆星大得多。由於暗物質的存在僅在大規模範圍內出現，因此其性質的發現可能必須通過天體物理學研究來確定。

最大熵

要說暗物質的分布是根據最大熵（相當於「最大無序」或「熱力學平衡」）來組織的，則意味著它處於最可能的狀態。為了達到這種「最大紊亂」，暗物質必須像氣體分子一樣在其內部發生碰撞，以達到平衡其密度、壓力和溫度的關係。但是，我們不知道暗物質如何達到這種平衡。

加納裡亞斯天文學家的科學家（ IAC）研究人員若爾格·桑切斯·阿爾梅達（JorgeSánchezAlmeida）表示：「例如，與空氣中的分子不同，由於引力作用很弱，暗物質粒子幾乎不應該相互碰撞，因此它們達到平衡的機理是個謎。」若爾格·桑切斯·阿爾梅達（JorgeSánchezAlmeida）是本文的第一作者。他補充說：「但是，如果它們確實發生了碰撞，那將賦予它們一種非常特殊的天性，這將在一定程度上解決其起源的神秘性。」

在矮星系中已檢測到最大的暗物質熵，而暗星與總物質的比例要比更大質量的星系更高，因此更容易看到它們的作用。但是，研究人員希望這是所有類型星系中的普遍行為。

該研究表明，熱力學平衡中的物質分布具有較低的中心密度，這是天文學家在許多實際應用中所假定的，例如在正確解釋引力透鏡時，或在設計通過其自我湮滅檢測暗物質的實驗時。

該中心密度是用引力透鏡正確解釋光的曲率的基礎：如果密度較小，則透鏡的作用會較小。要使用引力透鏡測量銀河系的質量，需要一個模型，如果更改此模型，則測量值也會發生變化。

中心密度對於嘗試使用自身湮滅檢測暗物質的實驗也非常重要。兩個暗物質粒子可能在一個極不可能的過程中相互作用並消失，但這是其性質的特徵。為了使兩個粒子相互作用，它們必須碰撞。這種碰撞的可能性取決於暗物質的密度，暗物質的濃度越高，粒子碰撞的可能性就越高。

「出於這個原因，如果密度發生變化，則自毀滅的預期生產率將會改變，並且基於實驗是根據給定速率進行預測而設計的，如果該速率非常低，則該實驗不太可能產生積極的結果，」桑切斯·阿爾梅達（SánchezAlmeida）說。

最後，暗物質的熱力學平衡也可以解釋星系的亮度分布。這種亮度以特定的方式隨著距星系中心的距離而下降，其物理起源尚不清楚，但是研究人員正為此努力證明，它是具有最大熵的平衡的結果。

模擬與觀察

數十年來，星系中心暗物質的密度一直是個謎。模擬的預測（高密度）與觀察到的預測（低值）之間存在很大差異。天文學家提出了許多類型的機制來解決這一主要分歧。

在本文中，研究人員已經證明，使用基本物理原理，可以在暗物質處於平衡狀態（即暗物質具有最大熵）的假設下複製觀察結果。該結果可能非常重要，因為它們表明暗物質已經與其自身和/或與其餘的「正常」（重子）物質交換了能量。

「與宇宙時間尺度相比，在如此短的時間內達到平衡的事實，可能是暗物質與正常物質之間除了引力之外還發生了某種相互作用的結果。」 加納裡亞斯天文學家的科學家（ IAC）研究人員伊格納西奧·特魯希略（Ignacio Trujillo）表示，「這種機制的確切性質需要探索，但是了解到底是什麼構成了宇宙總物質的組成部分，其後果可能會令人著迷。」伊格納西奧·特魯希略（Ignacio Trujillo）是本文的合著者。

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