冷暗物质你行不行？不行就换别人！

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翻译：葛文迪

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：库特莉亚芙卡 李子琦 胡永葳 董腾晨

原文链接：

https://phys.org/news/2022-02-distant-galaxies-true-nature-dark.html

不论是银河周边还是数十亿光年外的旋涡星系的中央，都存在一个球形区域，这个区域里面的暗物质有两个典型特征：随时间推移，半径持续增大，密度均一且持续减小。这表明，在组成暗物质的基本粒子与组成常见物质的粒子（质子、电子、中子和光子）之间，存在直接的相互作用。而现在人们描述宇宙的主流理论是Λ-冷暗物质模型，其假定冷暗物质粒子是惰性的，与其它粒子除了引力之外不会有其它相互作用。很明显，二者之间存在根本上的冲突。

在一篇近期发表于《天文与天体物理杂志》的研究中，完成了上述发现。由来自SISSA的吉奥莉•沙玛（Gauri Sharma）和保罗·萨鲁西（Paolo Salucci）主持，与维也纳大学的格伦·范德万（Glen Van de Ven）合作。这项研究分析了大量的遥远星系（其中一些甚至位于七十亿光年之外），对于现代物理学中最令人困惑的问题，从新的角度一探究竟。我们根据暗物质和可观测天体见的相互作用而构建了了一些暗物质理论，但暗物质的直接存在却一直没能证实。暗物质难以捉摸，在许多专门建造的地下实验室以及天体物理观测实验的共同努力下，还是没有被直接观测到。而据作者所说，这次研究标志着我们对暗物质的理解更进了一步。

最新的一项SISSA研究表明，位于旋涡星系中央的巨大球形区域中，组成暗物质晕的基本粒子与组成普通物质的基本粒子之间有直接的相互作用。

图片来源：Buddy Nath

研究遥远星系中的暗物质

吉奥莉•沙玛解释道：“人们观察到，星系中恒星和氢分子云的运动仿佛被一种‘隐形’物质的引力所支配，由此确定了暗物质在星系中的主导地位，现认为宇宙中84%的物质是由暗物质组成。”在这之前，人们对暗物质的研究都着眼于靠近银河系的星系，她继续解释道：“在这项研究中，我们开创性地观测了那些与邻近星系形态相同但却遥远很多的星系，并对其质量分布进行分析研究。因为这些星系很远，我们观测的是它们大约七十亿年前的情况。我们通过研究这些旋涡星系的前身，对暗物质粒子的性质做出判断。”

保罗·萨鲁西补充道：“通过对大约300个遥远星系中恒星运动的研究，我们发现这些星系中都有一个从星系中央向外延伸的暗物质晕，而这个暗物质晕的中心有一个密度均一的区域。”这一特点在邻近星系中已经广为人知。但是对这个中央区域的新的研究，却得到了一些与当下标准宇宙模型内容相冲突的结果。

沙玛说：“通过对比如今的星系和它们七十亿年前的前身，我们发现这个区域不仅有着难以解释的均一密度，而且其尺寸随着时间推移也在不断增大，就好像正在经历一个膨胀和稀释的过程。”如果暗物质像Λ-冷暗物质模型中所假设的那样不与其它物质有相互作用，那么这个现象将会很难解释。沙玛表示：“我们在发表的文章中给出了暗物质与普通物质直接相互作用的证据，即随着时间推移，从星系中央向外缓慢形成一个密度均一的区域。”

在几十亿光年外的旋涡星系的中央，是一个由暗物质粒子组成的巨大球形区域。这个区域有两个典型特征：随时间推移，半径持续增大，密度均一但持续减小。

图片来源：Gauri Sharma

缓慢却不可阻挡的过程

萨鲁西声称：“这里提到的密度均一的区域，会随着时间推移而膨胀，这是一个非常缓慢但是不可阻挡的过程。”

对此如何解释呢？最简单的解释就如发表在《天文与天体物理杂志》的文章中描述的那样，在星系形成之初，球形晕中的暗物质分布如Λ-冷暗物质模型所预测的那样，在中央处密度最大；随后，星系盘在这种极其致密的暗物质粒子组成的晕中形成；如果我们假设暗物质和普通物质存在额外的相互作用的话，随时间推移，暗物质粒子被恒星捕获或被推到星系外围，这个过程就会在暗物质晕中形成一个密度均一的球形区域，随着尺寸均匀增大，最终达到星系盘。

沙玛称：“这项研究结果给Λ-冷暗物质模型以外的暗物质理论也提出挑战。热暗物质、自相互作用暗物质和超轻暗物质，这些模型也都要对这一区域的时间演化做出解释。这些星系在时间和空间上都距离我们非常遥远，给宇宙学家们研究暗物质推开了真正的大门。” 萨鲁西指出：“这里值得注意的是，诚如尼采的哲学那样，通过已有理论推导得到的具有简洁数学形式的结果，可能不是这个谜题的真相。正相反，通过对一个被忽视并与人们所熟知的理论毫无关系的理论推导，由复杂晦涩的观测现象所确定，这样得到的结果可能才是谜底。”

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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心状星云的中心图片来源及版权：Adam Jensen

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