奇异的“爱因斯坦环”表明神秘的暗物质与自身相互作用

在冰雪中的玫瑰

詹姆斯·韦伯太空望远镜去年拍摄到的密度极高的JWST-ER1星系及其爱因斯坦环。（图片来源：P.van Dokkum等人，接受自然天文学，2023年）

据美国太空网（Sharmila Kuthunur）：对早期宇宙中一个质量惊人但结构紧凑的星系的最新分析表明，暗物质与自身相互作用。

该星系名为JWST-ER1，形成于宇宙大爆炸后仅34亿年，于去年10月在美国国家航空航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）拍摄的图像中首次被发现。JWST-ER1g距离地球超过170亿光年，是有史以来最远的完美“爱因斯坦环”——星系周围一个完整的光圈，这是来自遥远的、看不见的星系的光线由于JWST-ER1的空间扭曲质量而弯曲的结果。

宇宙海市蜃楼不仅仅是来自幸运星系排列的美丽景象；它还为物理学家提供了一个有价值的探针，用于独立于模型测量环半径内的质量。

通过计算JWST-ER1g在自身周围扭曲时空的程度，发现团队估计该星系的重量约为6500亿个太阳，这使其成为一个特别稠密的星系。通过从推断的总质量中减去可见恒星质量，物理学家可以测量星系中有多少是暗物质，暗物质是一种不可见的物质，被认为占我们宇宙中所有物质的80%以上。

尽管经过几十年的观察和大量的间接证据，这种难以捉摸的物质尚未被直接检测到。根据去年秋天发表的发现论文，在JWST-ER1g中，发现团队确定暗物质只解释了大约一半的质量差距，“似乎需要额外的质量来解释透镜化的结果”。

“暗物质质量的数值似乎高于预期，”加州大学河滨分校（UCR）物理学和天文学教授、这项新研究的合著者Hai-Bo Yu在一份声明中说。“这令人费解。”

在一篇新论文中，余和他的同事提出，JWST-ER1g异常高的密度可以用比目前想象的更高的恒星数量来解释。然而，该研究的主要作者、加州大学学院的孔德茂在同一份声明中表示，普通物质——构成气体和恒星的物质——“坍塌并凝结”成JWST-ER1g的暗物质晕的收缩机制可能会“在同一体积中堆积更多的暗物质质量，从而产生更高的密度”。

暗物质的光环在星系中心密度最大，是防止旋转星系分离的引力粘合剂。此外，根据这项新的研究，包含某种类型暗物质的模型，其中暗物质的粒子与自身相互作用，提供了“非常适合JWST-ER1的测量”。

我们还不知道暗物质到底是什么。观测线索表明，暗物质是一种新的粒子，其存在只能从其与普通物质的引力相互作用中推断出来。暗物质可能只是一种粒子，也可能是各种不同类型的复杂粒子，就像正常物质一样，可能在存在迄今为止未知的暗物质独有的额外力量的情况下运作。

去年12月，余领导了对包含自相互作用暗物质的结构形成的模拟，得出的结论是，这种自相互作用可以解释某些星系中密度极高的暗物质晕，以及其他星系中令人困惑的低密度，这两种情况都无法用流行的“冷暗物质”理论来解释。

可以说，物理学家们希望JWST能为暗物质提供更多的线索。余说，该望远镜前所未有的红外眼睛比任何其他望远镜都能追溯到更早的时间，即将对早期宇宙中的星系进行的研究可能会揭示暗物质粒子及其行为的线索。

“我们希望JWST能带来更多惊喜，并很快了解更多关于暗物质的信息。”

这项新研究于4月11日发表在《天体物理杂志快报》上。