打造完美暗物质模型

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发布日期:2017年05月26日 所属分类:新知

在研究暗物质数十年后,科学家不断发现它不可能是什么,但鲜见找到它是什么。不过,这一切或许已发生改变。对4个相互撞击的星系开展的研究首次显示,它们中的暗物质自身可能正通过一种未知力量发生相互作用。这种力量并非重力,并且不会对普通物质产生影响。宇宙被认为含有24%的暗物质,而最新发现为研究是什么构成这种看不见的物质提供了重要线索。

“如果得到确认,这项成果将颠倒我们对暗物质的理解。”并未参与该研究的美国费米国家实验室物理学家Don Lincoln表示。所谓的“自相互作用暗物质”说法被提出已有一段时间,但通常被认为是非正统的。暗物质的最简单模型将其描述为单粒子,其恰好和同类型中其他粒子发生相互作用,但和普通物质很少或根本没有发生相互作用。物理学家赞成这种刚好符合要求的最基本解释,并且仅在必要时才会添加额外的复杂状态。因此,这种设想往往最受欢迎。而暗物质自身相互作用不仅需要暗物质粒子,还要有控制其相互作用的暗能量以及携带这种力的暗玻色子粒子。这种更为复杂的画面反映了人们对于通过携带力的粒子发生相互作用的普通物质粒子的理解。例如,质子通过被称为光子的粒子所携带的电磁力相互作用。

如今,由英国杜伦大学Richard Massey领导的科学家在《皇家天文学会月报》上报道了表明暗能量和暗玻色子或许真的存在的首个迹象。研究人员利用智利超大望远镜上的多目标光谱探测仪(MUSE)设备以及哈勃望远镜,研究了其中4个星系正在相互撞击的Abell 3827星系团。

打造完美暗物质模型

天文学家已通过观测其质量如何扭曲来自后面一个更遥远星系的光线研究了Abell 3827星系团中的暗物质。图像显示,在一个区域中暗物质并未与星系本身一起移动,这或许暗示暗物质之间正在发生未知的相互作用。

为确定不可见的暗物质存于何处,天文学家利用了一种爱因斯坦广义相对论所预测的、被称为引力透镜的自然现象。当质量使时空扭曲并导致穿越该弯曲地带的光沿着弯曲路径传播时,便会发生这种效应。Abell 3827中的暗物质非常丰富,因此它会极大地弯曲其周围的空间。当位于该星系团后面的遥远物体发出的光线到达地球时,会穿越这个被扭曲的区域,并且产生引力透镜的信号,比如光弧和双像。天文学家利用它们为星系中看不见的物质“称重”。科学家发现,在至少其中一个正在相互撞击的星系中,所含的暗物质已同其恒星和其他可见物质分开了约5000光年的距离。一种解释是来自该星系的暗物质同飞经它的另一个星系的暗物质发生相互作用,并且这种相互作用使暗物质速度减慢,导致其慢慢分离并且落在普通物质的后面。

这种相互作用和两个质子互相从对方身边经过时发生的情况类似。每个质子释放一个被对方吸收的光子,造成两个粒子向后反冲。这种相斥力在任何两个拥有相同电磁荷的粒子间都会发生,而且在任何两种暗物质粒子间也会发生。不过,由于暗物质不受电磁力的影响,只有一种由所谓的暗光子携带的新“暗”能量能产生这种相斥。还有可能是只有一部分暗物质发生自相互作用,而大部分是更为传统的单粒子类型。“我们的模型看上去确实很完美,其中只有一小部分暗物质发生相互作用。”设想出这类模型的哈佛大学物理学家Lisa Randall表示。

最新研究的主导者对于诠释他们的观测结果显得很谨慎。“这的确令人非常兴奋,因为这可能是首次探测到非引力条件下的相互作用,但我们不得不在更多此类天体中发现这种现象。” 来自瑞士洛桑联邦理工学院的团队成员David Harvey说,该研究并未得到确认。例如,有可能望远镜观测到的模式由上述星系团外的其他暗物质所致并且正好处于地球的可视通路,而非自相互作用的暗物质。

并未参与该研究的纽约大学物理学家Weiner表示,自相互作用暗物质拥有暗能量和暗光子的提法或许不像单粒子解释那么简单,但却是一个合理的观点。“考虑暗物质拥有自己的相互作用的一个最强烈动机仅仅是,当我们看着描述所有已知粒子和力的标准模型时,会发现它充满了所有不同类型的相互作用。这似乎看上去非常自然,即暗物质也拥有自己的力。”这种方案还能解释单粒子模型的预测和天文学家实际观测结果之间的一些细小差异。例如,单粒子模型认为,星系团的中心会比它们真正的密度大,但如果暗物质发生相互作用,将倾向于在星系核心发生撞击并将彼此推开。

截至目前,自相互作用暗物质的迹象还未出现在其他星系撞击中。另一个著名的撞击地点——“子弹星系团”是最早提供强有力证据显示暗物质存在的星系团之一,因为引力透镜效应表明该星系团的大部分质量存在于一个不同的地方,而非可见物质。不过,那里的分离并未大到足以表明暗物质正在发生相互作用。“最新成果同‘子弹星系团’并不冲突。”2006年“子弹星系团”最初研究的主导者之一、来自加州大学戴维斯分校的Marua Brada表示,因为最新研究只是为相互作用会有多强设置了上限。

2015年3月发表于《科学》杂志、由Harvey主导的另一项比较新的研究,观察了星系团的72次撞击,并未发现自相互作用的暗物质迹象。不过,该项研究以及“子弹星系团”研究的目标是正在发生撞击的星系团,而不是像Abell 3827中撞在一起的单个星系。相较于整个星系团,单独星系会以较慢的速度撞击,而这或许为暗物质提供了更多的时间发生相互作用并且减缓下来。真正的考验将在当天文学家观测其他单个星系的撞击时到来。“还有一些我们可以研究的其他相似状态星系,但都不如这个完美。不过,未来我们希望能研究这些天体。”Harvey说。(中国科学报/宗华)

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