巨大的“El Gordo”星系团暗示暗物质会自行撞击

降法讲顾

“El Gordo”是已知存在的最庞大的星系团之一。如果暗物质是自相互作用的，那么它有一些奇怪的性质可以解释。（图片来源：美国国家航空航天局、欧空局、J.Jee（加州大学戴维斯分校）、J.Hughes（罗格斯大学）、F.Menanteau（罗格s大学和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）、C.Sifon（莱顿天文台）、R.Mandelbum（卡内基梅隆大学）、L.Barrientos（智利Catolica大学）和K.Ng（加州大学Davis分校））

据美国太空网（Robert Lea）：如果宇宙中最神秘的物质暗物质能够与自身碰撞，那么在一个由合并星系组成的大质量星系团中的奇怪行为就可以得到解释。然而，目前最受欢迎的宇宙学模型是冷暗物质（CDM）模型，它表明暗物质不是自相互作用的，因为它不与光相互作用，所以实际上是不可见的。

为了弄清这个难题的真相，意大利国际科学院天体物理学和宇宙学小组的研究人员开始模拟大质量星系团“El Gordo”（西班牙语的字面意思是“胖子”）内发生的事情。它距离地球大约70亿光年。

这一模拟揭示了碰撞星系的超星系团的物理性质——其质量相当于300亿个太阳，官方命名为ACT-CL J0102-4915——可以用CDM的替代理论来解释。这种替代理论被称为自相互作用暗物质（SIDM）模型。

顾名思义，这个模型假设，无论暗物质由什么组成，物质都可以与自身碰撞和相互作用。如果宇宙由SIDM模型准确描述，这将意味着暗物质粒子可以与自己交换能量。

一个“胖”暗物质实验室

暗物质既不与光相互作用，也不与可见物质相互作用，这一事实告诉科学家，暗物质不可能由电子、质子和中子组成的原子组成。这些是组成恒星、行星、卫星和我们身体的部分。这些粒子共同是重子家族的一部分，因此日常物质在技术上被称为“重子物质”。

暗物质与引力相互作用，因此它对空间结构的影响可以影响重子可见物质和光。这就是科学家们推断暗物质存在的方式。然而，暗物质给物理学带来了一个大问题。暗物质粒子的数量远远超过重子粒子至少5比1，可能高达9比1，这意味着我们在宇宙中看到的物质只是其实际含量的一小部分。

团队负责人、SISSA科学家Riccardo Valdarini在一份声明中表示：“根据目前公认的标准宇宙学模型，目前宇宙的重子物质密度只能占其总物质含量的10%。其余90%以暗物质的形式存在。”。“人们普遍认为，这种物质是非生物的，由冷的无碰撞粒子组成，这些粒子只对重力有反应。

“然而，仍有一些观测结果尚未使用标准模型进行解释。”



根据盛行的冷暗物质模型显示宇宙演化的图表。对El Gordo的观测可能会使该模型受到质疑（图片来源：NASA/LAMBDA档案馆/WMAP科学团队）

El Gordo由两个独立的星系亚簇组成，它们以每小时数百万英里的速度碰撞。它是如此遥远，以至于人们看到的是宇宙还不到目前年龄一半时的样子。瓦尔达尼解释说，像2012年发现的El Gordo这样巨大而巨大的结构为研究潜在的SIDM模型提供了完美的宇宙实验室。

瓦尔达尼说：“这些是大质量的星系团，巨大的宇宙结构，在碰撞时决定了自大爆炸以来最具能量的事件。”。“El Gordo是我们所知道的最大星系团之一。由于其独特性，El Gordo一直是众多理论和观测研究的主题。”

宇宙学标准模型的一个问题

CDM标准宇宙学模型表明，当星系团中的星系碰撞和合并时，这种事件的气体成分应该与暗物质成分不同，作为最初释放的能量的一部分消散。

瓦尔达尼解释道：“这就是为什么碰撞后，气体质量密度的峰值将落后于暗物质和星系的峰值。”。

SIDM模型表明，在这些碰撞过程中会发生一些不同的事情。在这个模型中，最大暗物质质量密度的点（被称为“暗物质质心”）与碰撞星系的其他质量成分之间存在物理分离。El Gordo的观测似乎表明，这正是SIDM的特征。



这张El Gordo星系团的照片结合了ESO超大望远镜拍摄的图像、SOAR望远镜的图像和NASA钱德拉X射线天文台的X射线观测结果。（图片来源：ESO/SOAR/NASA）

El Gordo由两个大质量的星系亚星团组成，分别命名为西北（NW）和东南（SE）。整个碰撞超星系团的X射线图像显示，SE亚星团中有一个X射线峰，两条微弱细长的尾巴延伸到这个峰之外。

这些排放物的一个奇怪特征是不同质量成分的峰值位置不同。与另一个由碰撞星系组成的大质量超星系团子弹星团不同，El Gordo的X射线峰值先于SE暗物质峰值。除此之外，埃尔戈多最亮的星团星系（BCG）落后于X射线峰值，而且它似乎也偏离了SE的质心。El Gordo的西北星团也有一些奇怪的特征。在这个区域，星系的峰值密度在空间上偏离了相应的质量峰值。

为了解释这些特征并可能验证SIDM模型，瓦尔达尼和团队对El Gordo进行了一系列流体动力学模拟，旨在重现观测到的大质量超星系团的特征。

他继续说道：“这项模拟研究最重要的结果是，如果暗物质是自相互作用的，那么在‘El Gordo’星团的不同质心之间观察到的相对分离就可以自然地得到解释。”。“因此，这些发现为暗物质行为提供了一个明确的标志，该行为在高能高红移[非常遥远]的星团碰撞中表现出碰撞性质。”

然而，SISSM研究人员也承认，SIDM模型与El Gordo观测结果以及模拟结果之间存在不一致之处，一些测量值高于该模型预测的此类集群合并的上限。

瓦尔达尼总结道：“这表明，目前的SIDM模型只应被视为一种低阶近似，描述主要星团合并中暗物质相互作用的基本物理过程比基于暗物质粒子散射的通常假设方法更复杂。”。“这项研究为碰撞星团之间自相互作用暗物质的可能性提供了一个令人信服的理由，作为标准无碰撞暗物质范式的替代方案。”

该团队的研究于4月发表在《天文学与天体物理学》杂志上。