暗物质是热的还是冷的？最新研究再次质疑了暗物质

自上世纪60年代“广义相对论的黄金时代”以来，科学家们一直认为，宇宙的大部分由一种名为“暗物质”的神秘不可见物质组成。从那时起，科学家们就试图用新的方法方法来解开这个谜团。

一方面，天体物理学家试图找到一种候选粒子来解释这个质量。另一方面，天体物理学家试图找到一个理论基础来解释暗物质的行为。到目前为止，科学家争论的焦点是暗物质到底是“热”还是“冷”，大部分科学家认为暗物质比较趋近于冷，因为冷将导致粒子的运动相对简单。然而，哈佛-史密森天体物理中心(CfA)领导的一项新研究对暗物质实际上可能是“温暖的”还是“寒冷的”这一观点提出了质疑。

据了解，该研究是基于宇宙学模拟的星系形成使用一个宇宙模型，其中包括相互作用的暗物质。模拟是由来自CfA、麻省理工学院卡弗里天体物理与空间研究所、莱布尼茨天体物理研究所波茨坦以及多所大学的国际研究团队进行的。

神秘的暗物质

说起暗物质时，首先，科学家认为它占宇宙质量的84%，既不发光，也不吸收或反射光线或任何其他已知形式的辐射。其次，它没有电磁电荷，除了通过引力(四种基本力中最弱的一种)之外，它不与其他物质相互作用。再者，它不是由原子或它们通常的组成部分(即电子、质子和中子)组成的，这就造成了它的神秘性质。因此，科学家们从理论上推断，它一定是由某种新物质构成的，这种物质符合宇宙定律，但在传统的粒子物理学研究中没有出现。

不管暗物质的真实性质如何，自从大爆炸之后的10亿年以来，它对宇宙的演化产生了深远的影响。事实上，科学家认为暗物质在从星系的形成到宇宙微波背景辐射(CMB)的分布等各个方面都发挥了关键作用。

更重要的是，考虑到暗物质所起作用的宇宙学模型是由对这两种截然不同的宇宙结构的观察所支持的。此外，它们与宇宙参数一致，比如宇宙膨胀的速度，宇宙膨胀本身受到一种神秘的无形力量(称为“暗能量”)的影响。

冷暗物质？

目前，最被广泛接受的暗物质模型假定是暗物质除了重力的影响，不会与任何其他种类的物质或辐射(包括暗物质本身)相互作用，也就是说，暗物质是“冷的”。这就是所谓的冷暗物质(CDM)场景，它通常以LCDM宇宙学模型的形式与暗能量理论(用Lambda表示)相结合。

暗物质的这种理论形式也被称为非相互作用，因为除了最弱的基本力之外，暗物质无法通过其他任何方式与正常物质相互作用。进行宇宙演化的数值模拟之后，冷暗物质方案成为了更令人接受。因为这些模拟表明，暗物质预测的分布与今天的宇宙完全不同。出于这个原因，人们开始考虑另一种极限，即出生时几乎没有任何速度的粒子，即“冷”。

在进行了与之前相同的星系聚类测试之后，天文学家们发现，模拟的宇宙与观测到的宇宙惊人地一致。在接下来的几十年里，冷粒子已经通过了比简单的星系集群更严格、更重要的测试，而且它通常都以优异的表现通过了这些测试。

另一个吸引人的地方是冷暗物质(至少在理论上)应该可以直接或间接探测到。然而，这正是CDM遇到麻烦的地方，因为迄今为止所有探测单个粒子的尝试都失败了。因此，宇宙学家已经开始考虑其他可能的候选者，它们与其他物质的相互作用程度甚至更小。

热暗物质？

这也是来自CfA的天文学家索纳克·博斯(Sownak Bose)和他的研究团队试图确定的真相。为了继续研究，研究团队集中在一个“温暖”的暗物质候选体上，即热暗物质（HDM）。这种类型的粒子将有能力与接近光速的非常轻的粒子进行微妙的相互作用，特别是，它可以与中微子相互作用，而中微子是HDM方案的最佳候选人。中微子被认为在早期炎热的宇宙中非常普遍，因此相互作用的暗物质的存在将产生强大的影响。

“在这类模型中，暗物质粒子被允许与光子或中微子等辐射物质进行有限(但较弱)的相互作用，”博斯博士说。“这种耦合在早期宇宙的‘块状’中留下了相当独特的印记，这与暗物质是冷粒子时的预期大相径庭。”

为了验证这一点，研究小组在哈佛大学和冰岛大学的超级计算设施中进行了最先进的宇宙学模拟。这些模拟考虑了从大爆炸后的10亿年到140亿年，热物质和暗物质的存在将如何影响星系的形成。博斯博士表示：通过运行计算机模拟来实现这个宇宙在140亿年的进化之后可能会是什么样子。除了建立暗物质成分的模型，我们还为恒星的形成、超新星和黑洞的影响、金属的形成等方面提供了最先进的处方。

然后，研究小组将这些结果相互比较，以识别出能够区分两者的特征。结果他们发现，在许多模拟实验中，这种相互作用的暗物质的影响太小，根本无法被发现，并且它们以一些独特的方式存在。科学家兴奋地表示，这个发现特别有趣，因为它可以在未来使用下一代仪器进行测试。做到这一点的方法是通过观察氢气的分布来绘制早期宇宙的块状结构，从观测上看，这是一项成熟的技术，我们可以通过观察遥远星系的光谱来探测早期宇宙中的中性氢分布。

简而言之，从遥远星系射向我们的光必须穿过星系间介质。如果中间介质中存在大量中性氢，星系的发射线就会被部分吸收，而如果中间介质中中性氢很少，发射线就会畅通无阻。如果暗物质真的是冷的，它将以氢气的“块状”分布的形式出现，而波分复用方案将导致振荡的块状分布。

目前，天文仪器还没有测量早期宇宙中氢气振荡所需要的分辨率。但正如博斯博士所指出的，这项研究可能会为能够进行这些观察的新实验和新设备提供动力。

无论如何，科学就是这样，做出预测，提出一种测试方法，进行实验，然后修正或者排除理论，尽管我们离暗物质真的很遥远，但是时间会给我们一个答案！