新研究：自相互作用暗物質(zhì)能解開三大宇宙謎題

IT之家 5 月 7 日消息，新研究表明，一種新型自相互作用暗物質(zhì)有望解開三個(gè)截然不同的宇宙謎題。

首個(gè)有望被破解的宇宙謎團(tuán)，與在 JVAS B1938+666 天體系統(tǒng)中探測(cè)到的一團(tuán)超高密度物質(zhì)有關(guān)。基于廣義相對(duì)論特殊效應(yīng)，該天體系統(tǒng)產(chǎn)生了引力透鏡效應(yīng)，觀測(cè)影像發(fā)生明顯畸變。第二個(gè)謎題，和恒星流 GD-1 中一道肉眼可見的“痕跡”有關(guān)，這道痕跡看上去就像有一個(gè)致密的隱形天體從中橫穿撕裂而過。最后一個(gè)謎題，是銀河系伴星系天爐座矮星系中天爐座 6 號(hào)星團(tuán)的怪異形成機(jī)制；若存在一塊致密暗物質(zhì)區(qū)域充當(dāng)引力陷阱，俘獲途經(jīng)恒星，便能解釋該星團(tuán)的特殊形成過程。

這項(xiàng)新研究認(rèn)為，倘若暗物質(zhì)粒子之間能夠發(fā)生自相互作用，便能同時(shí)解釋這三種特殊天文現(xiàn)象。

加州大學(xué)河濱分校、實(shí)驗(yàn)宇宙學(xué)與儀器中心的余海波（Hai-Bo Yu，音譯）在一份聲明中表示：“令人驚嘆的是，同一種物理機(jī)制，竟能適用于三種完全不同的宇宙場(chǎng)景 —— 遙遠(yuǎn)深空、銀河系內(nèi)部，以及鄰近的衛(wèi)星矮星系。這些天文觀測(cè)呈現(xiàn)出的物質(zhì)密度，都難以用標(biāo)準(zhǔn)模型暗物質(zhì)理論解釋，卻能在自相互作用暗物質(zhì)框架下自然形成。”

但暗物質(zhì)“自相互作用”究竟意味著什么？為何這一特性會(huì)偏離這種神秘物質(zhì)的經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)理論圖景？

無相互作用暗物質(zhì)無法解釋諸多宇宙謎題

首先，我們快速梳理一下暗物質(zhì)的本質(zhì)。

暗物質(zhì)約占宇宙物質(zhì)總量的 85%，其質(zhì)量約為構(gòu)成恒星、行星、衛(wèi)星乃至人體的普通物質(zhì)的 5 倍。科學(xué)家證實(shí)，暗物質(zhì)不可能由構(gòu)成世間萬物原子的質(zhì)子、電子和中子組成，因?yàn)檫@類普通粒子會(huì)與光（準(zhǔn)確來說是電磁輻射）發(fā)生相互作用，而組成暗物質(zhì)的粒子卻不會(huì)。

這也意味著暗物質(zhì)對(duì)人類而言幾乎完全不可見，人類只能通過其引力效應(yīng)，以及對(duì)普通物質(zhì)和光線產(chǎn)生的連鎖影響來探測(cè)它。目前，人類最成熟的宇宙演化理論是宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，也被稱為 Λ 冷暗物質(zhì)模型（LCDM 模型）。在該模型中，暗物質(zhì)屬于“冷暗物質(zhì)”：粒子運(yùn)動(dòng)速度緩慢，彼此相遇時(shí)不會(huì)發(fā)生碰撞，而是像互不往來的宇宙幽靈一般直接互相穿過，不存在任何相互作用。

與之相對(duì)，自相互作用暗物質(zhì)的粒子之間可以發(fā)生碰撞，并交換能量與動(dòng)量。這類相互作用會(huì)引發(fā)所謂的引力熱坍縮，進(jìn)而形成致密、緊湊的暗物質(zhì)核心。

JVAS B1938+666 的黑環(huán)和中心圓點(diǎn)呈現(xiàn)出一顆遙遠(yuǎn)星系經(jīng)引力透鏡畸變后的紅外圖像。橙色輻射則顯示了同一星系系統(tǒng)發(fā)出的射電波

余海波解釋道：“兩者的區(qū)別，就像一群互不搭理的路人，和一群不斷互相碰撞、來往的人群。在自相互作用暗物質(zhì)體系中，粒子間的相互作用會(huì)徹底重塑暗物質(zhì)暈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。具備自相互作用特性的暗物質(zhì)，能夠形成足夠高的密度，恰好匹配這些天文觀測(cè)結(jié)果?！?/p>

簡(jiǎn)單來說，自相互作用暗物質(zhì)能夠形成形態(tài)特殊的致密暗物質(zhì)核心，足以解釋 JVAS B1938+666 的超高密度物質(zhì)團(tuán)、恒星流 GD-1 的怪異痕跡等奇異天文現(xiàn)象；而傳統(tǒng)無相互作用暗物質(zhì)理論則無法做到這一點(diǎn)。余海波補(bǔ)充道：“具備自相互作用的暗物質(zhì)可以達(dá)到足夠密度，完美契合各類天文觀測(cè)數(shù)據(jù)。”

IT之家注意到，該研究團(tuán)隊(duì)的相關(guān)成果已于 4 月 9 日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上。

參考資料：

• https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/txxx-97ln