也许暗物质是温暖的 而不是冷的

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自20世纪30年代“ 广义相对论的黄金时代 ”以来,科学家们认为宇宙的大帕累托图完整篇 都是由三种被称为“ 暗物质 ” 的神秘无形物质组成。从那并且 ,科学家们试图用双管齐下的最好的方式来处里你三种谜团。一方面,天体物理学家试图寻找都上能解释你三种质量的候选粒子。

此人 面,天体物理学家试图找到都上能解释暗物质行为的理论基础。到目前为止,争论集中在它是“热”还是“冷”的问題上,将会其相对简单,冷的观点比较占优势。然而,由哈佛 - 史密森尼天体物理中心(CfA)领导的一项新研究revits Dark Matter将会实际上是“温暖”的想法。

这是基于宇宙模型的宇宙学模拟,使用中有 温暖暗物质的宇宙模型。模拟由CfA,麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所,莱布尼茨波茨坦天体物理研究所和多所大学的国际研究团队进行。该研究最近出显在皇家天文法学会月刊中

科学家对LCDM宇宙学模型的表示

当它出显时,Dark Matter被恰当地命名。对于初学者来说,它占宇宙质量的最少84%而且既不发射,而是我 吸收或反射光或任何有些已知形式的辐射。其次,它这么电磁荷,除了通过引力之外不与有些物质相互作用,这是三种基本力中最弱的。

第三,它完整篇 都是由原子或它们通常的构件(即电子,质子和珍子)组成,这利于它的神秘性。而且,科学家们推测它须要由有些符合宇宙定律的新物质组成,但在传统的粒子物理研究中并这么出显。

无论其真实本质咋样,自从大爆炸事件指在最少10亿年以来,暗物质对宇宙的演化产生了深远的影响。事实上,有些人认为它在从星系的形成到宇宙微波背景(CMB)辐射分布的各个方面发挥了关键作用。

最少十亿年前俩个星系形成的模拟图

更重要的是,考虑到暗物质所起作用的宇宙学模型得到了对这三种截然不同的宇宙特征的观察的支持。而且,它们与宇宙参数一致,如宇宙膨胀的速率单位,它三种受到神秘的,不可见的力(称为“ 暗能量 ”)的影响。

目前,最广泛接受的暗物质模型假设它不要与重力影响之外的任何有些物质或辐射(包括其自身)相互作用 - 即它是“冷”的。这而是我 所谓的冷暗物质(CDM)场景,它通常与LCDM宇宙学模型形式的暗能量理论(由Lambda表示)相结合。

正如CfA的天文学家和研究的主要作者Sownak Bose博士通过电子邮件向今日宇宙解释:

“[CDM]是经过最佳测试和首选的模型。这主而是我 将会在过去四十年左右的时间里,有些人总爱 在努力使用冷暗物质作为标准范例进行预测 - 而且将哪几个范式与实际数据进行比较 - 发现一般来说,你三种模型不要都上能在各种尺度上重现各种观察到的问題。“

正如他所描述的那样,在宇宙演化的数值模拟使用“热暗物质”(在你三种清况 下是中微子)进行数字模拟并且 ,冷暗物质场景成为了领跑者。哪几个亚原子粒子非常同类于电子,但这么电荷。它们也很轻,以近乎光速的速率单位穿过宇宙(换句话说,它们在运动学上很“热”)。

哪几个模拟表明,预测的分布看起来与今天的宇宙无关,“Bose补充道。“出于你三种导致 ,始于考虑相反的限制,当它们出生时几乎这么任何速率单位的粒子(又称”冷“)。中有 该候选折 的模拟更符合现代宇宙观测。

“在进行了与并且 相同的星系聚类测试并且 ,天文学家发现了模拟广告观测到的宇宙之间的惊人一致性。在并且的几十年中,冷颗粒通过比简单的星系聚类更严格,非平凡的测试进行了测试,而且它通常以漂亮的颜色通过哪几个测试。

这么 吸引力的来源是,冷暗物质(最少在理论上)应该是直接或间接可检测的。然而,这是CDM遇到麻烦的地方,将会到目前为止所有检测单个粒子的尝试都失败了。而且,宇宙学家将会考虑考虑有些将会与有些物质具有更小水平相互作用的候选折 。

这而是我 CfA的天文学家Sownak Bose试图与他的研究团队决定。为了有些人的学习,有些人专注于俩个“温暖的”暗物质候选人。该理论粒子具有与接近光速移动的非常轻的粒子巧妙地相互作用的能力。

很糙是,它都上能与中微子相互作用,中微子是HDM场景的前者。有些人认为中微子在炎热的早期宇宙中非常普遍,而且“温暖的”暗物质的指在会产生强烈的影响。

“在同类模型中,暗物质粒子都上能与光子或中微子等辐射物质进行有限(但弱)相互作用,”Bose博士说。“你三种耦合在早期的宇宙'凹凸'中留下了俩个相当独特的印记,这与暗物质是俩个冷粒子时的预期有很大的不同。”

美国宇航局哈勃太空望远镜拍摄的漩涡星系的可见光(左)和红外图像(右)

为了测试你三种点,该团队在哈佛大学和冰岛大学的超级计算设施中进行了最先进的宇宙学模拟。哪几个模拟考虑了大爆炸后最少10亿到最少140亿年(最少现在),温暖和暗物质的指在将咋样影响星系的形成。Bose博士说:

“[W]进行了计算机模拟,以生成你三种宇宙在经过14亿年的演变后将会会是哪几个样子的实现。除了对暗物质成分建模外,有些人还包括最先进的恒星形成处方,超新星和黑洞的影响,金属的形成。“

而且,团队将结果相互比较,以选折 都上能区分彼此的特征签名。有些人发现,对于有些模拟来说,你三种温暖的暗物质的影响太小而不明显。然而,它们以有些不同的最好的方式指在,很糙是在遥远的星系分布在整个太空中的最好的方式。

你三种观察结果很糙有趣,将会它都上能在未来使用下一代仪器进行测试。“这么 做的最好的方式是通过观察汽体的分布来早期绘制宇宙的凹凸,”Bose博士解释说。“从观测的深度来看,这是一项性成长期图片 图片 图片 图片 图片 图片 的技术:有些人都上能通过观察遥远星系(通常是类星体)的光谱探测早期宇宙中的中性氢。”

计算机模拟宇宙中物质的分布。橙色地区拥有星系; 天蓝色特征是汽体和暗物质

简而言之,从遥远的星系向有些人传播的光须要通过星系间介质。将会在介入介质中指在絮状中性氢,则来自星系的发射线将被帕累托图吸收,而将会几乎这么,则它们将不受阻碍。将会暗物质真的很冷,它将以汽体的“更大”分布的形式出显,而WDM场景将导致 振荡的块状物。

目前,天文仪器这么必要的分辨率来测量早期宇宙中的汽体振荡。但正如博斯博士指出的那样,这项研究都上能为新实验和不要都上能进行哪几个观察的新设施提供动力。

同类,像詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)这么 的红外仪器可用于创建新的汽体吸收分布图。哪几个地图既都上能确认温暖暗物质的影响,也都上能将其作为候选折 进行排除。有些人还希望这项研究不要都上能激发有些人对将会考虑过的候选人的思考。

最后,正如博森博士所说,真正的价值来自这么 俩个事实:哪几个理论预测都上能刺激观察到新的领域,并测试有些人认为有些人所知道的极限。“这而是我 科学真正的完整篇 ,”他补充道,“做出预测,提出测试最好的方式,进行实验,而且限制/排处里论!”