新暗物质理论解释了天体物理学中的两个难题

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新暗物质理论解释了天体物理学中的两个难题。信用:Pixabay/CC0公共领域

（）据加州大学河滨分校（伊克巴尔·皮塔尔瓦拉）：暗物质被认为构成了宇宙中85%的物质，它是不发光的，其性质还没有被很好地了解。虽然正常物质会吸收、反射和发射光线，但暗物质无法直接看到，因此更难检测。一种被称为“自我相互作用暗物质”，或SIDM的理论提出，暗物质粒子通过一种黑暗力进行自我相互作用，在星系中心附近相互强烈碰撞。

加州大学河滨分校物理学和天文学教授于海波领导的研究小组在发表于《天体物理学杂志快报》的工作中报告说，SIDM可以同时解释两个相反极端的天体物理学难题。

“第一个是大质量椭圆星系中的高密度暗物质晕，”于说。“这个光环是通过对强引力透镜的观测发现的，它的密度如此之高，以至于在流行的冷暗物质理论中这是极其不可能的。第二，超扩散星系的暗物质晕密度极低，很难用冷暗物质理论来解释。”

暗物质晕是弥漫在一个星系或星系团周围的不可见物质的晕。当从遥远星系穿越宇宙的光线在大质量物体周围弯曲时，引力透镜就发生了。冷暗物质，或CDM，范式/理论假设暗物质粒子是无碰撞的。顾名思义，超扩散星系具有极低的光度，其恒星和气体的分布是分散的。

俞和伊森·纳德勒(Ethan Nadler)一起参加了这项研究，他是卡耐基天文台和南加州大学的联合博士后研究员，他和达能·杨(Daneng Yang)是的博士后学者。

为了证明SIDM可以解释这两个天体物理学难题，该团队对强透镜晕和超扩散星系进行了第一次高分辨率的宇宙结构形成模拟，其中强暗物质在相关质量尺度上进行自我相互作用。

纳德勒说:“这些自我相互作用导致光晕中的热传递，这使星系中心区域的光晕密度多样化。”“换句话说，与它们的CDM对应物相比，一些晕的中心密度较高，而另一些晕的中心密度较低，细节取决于宇宙演化历史和各个晕的环境。”

据该团队称，这两个难题给标准CDM范式带来了巨大的挑战。

“清洁发展机制面临着解释这些难题的挑战，”杨说。“SIDM可以说是调和这两个对立极端的令人信服的候选人。文献中没有其他解释。现在有一种有趣的可能性，暗物质可能比我们预期的更复杂，更活跃。”

这项研究还展示了通过天体物理观测，用计算机模拟宇宙结构形成的工具来探测暗物质的力量。

“我们希望我们的工作鼓励在这个有前途的研究领域进行更多的研究，”于说。“这将是一个特别及时的发展，因为预计在不久的将来会有来自天文观测站的数据流入，包括詹姆斯·韦伯太空望远镜和即将到来的鲁宾天文台。”

大约从2009年开始，于和他的合作者们的工作已经帮助在粒子物理和天体物理社区普及了SIDM。