也许暗物质是温暖的 而不是冷的

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自20世纪60 年代“ 广义相对论的黄金时代 ”以来,科学家们认为宇宙的大部分详细都是由一种被称为“ 暗物质 ” 的神秘无形物质组成。从那但是,科学家们试图用双管齐下的土办法来处理這個谜团。一方面,天体物理学家试图寻找都有益于解释這個质量的候选粒子。

当事人面,天体物理学家试图找到都有益于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”的问提上,可能性其相对简单,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可能性实际上是“温暖”的想法。

这是基于宇宙模型的宇宙学模拟,使用富含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。该研究最近无缘无故出现在皇家天文学会月刊中

科学家对LCDM宇宙学模型的表示

当它无缘无故出现时,Dark Matter被恰当地命名。对于初学者来说,它占宇宙质量的大概 84%有但是既不发射,什么都有 吸收或反射光或任何有但是 已知形式的辐射。其次,它这样电磁荷,除了通过引力之外不与有但是 物质相互作用,这是一种基本力中最弱的。

第三,它详细都是由原子或它们通常的构件(即电子,质子和联 子)组成,这有益于它的神秘性。有但是,科学家们推测它前要由有但是 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样无缘无故出现。

无论其真实本质怎么才能 才能 ,自从大爆炸事件发生大概 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,大伙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。

大概 十亿年前另五个 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這個种生活截然不同的宇宙形态的观察的支持。有但是,它们与宇宙参数一致,如宇宙膨胀的数率,它一种受到神秘的,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让与重力影响之外的任何有但是 物质或辐射(包括其自身)相互作用 - 即它是“冷”的。这什么都有 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。这主什么都有 可能性在过去四十年左右的时间里,大伙无缘无故在努力使用冷暗物质作为标准范例进行预测 - 有但是将那先 范式与实际数据进行比较 - 发现一般来说,這個模型有益于在各种尺度上重现各种观察到的问提。“

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”(在這個情況下是中微子)进行数字模拟但是,冷暗物质场景成为了领跑者。那先 亚原子粒子非常类事电子,但这样电荷。它们也很轻,以近乎光速的数率穿过宇宙(换句话说,它们在运动学上很“热”)。

那先 模拟表明,预测的分布看起来与今天的宇宙无关,“Bose补充道。“出于這個由于,但是开始英文考虑相反的限制,当它们出生时几乎这样任何数率的粒子(又称”冷“)。富含该候选泽的模拟更符合现代宇宙观测。

“在进行了与但是相同的星系聚类测试但是,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。在但是 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,有但是它通常以漂亮的颜色通过那先 测试。

从前吸引力的来源是,冷暗物质(大概 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,可能性到目前为止所有检测单个粒子的尝试都失败了。有但是,宇宙学家可能性考虑考虑有但是 可能性与有但是 物质具有更小水平相互作用的候选泽。

这什么都有 CfA的天文学家Sownak Bose试图与他的研究团队决定。为了大伙的学习,大伙专注于一另五个 “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。

不怎么才能 是,它都有益于与中微子相互作用,中微子是HDM场景的前者。大伙认为中微子在炎热的早期宇宙中非常普遍,有但是“温暖的”暗物质的发生会产生强烈的影响。

“在类事模型中,暗物质粒子都有益于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。“這個耦合在早期的宇宙'凹凸'中留下了一另五个 相当独特的印记,这与暗物质是一另五个 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)

为了测试這個点,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。那先 模拟考虑了大爆炸后大概 10亿到大概 140亿年(大概 现在),温暖和暗物质的发生将怎么才能 才能 影响星系的形成。Bose博士说:

“[W]进行了计算机模拟,以生成這個宇宙在经过14亿年的演变后可能性会是那先 样子的实现。除了对暗物质成分建模外,大伙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。“

有但是,团队将结果相互比较,以选泽都有益于区分彼此的形态签名。大伙发现,对于有但是 模拟来说,這個温暖的暗物质的影响太小而不明显。然而,它们以有但是 不同的土办法发生,不怎么才能 是在遥远的星系分布在整个太空中的土办法。

這個观察结果不怎么才能 有趣,可能性它都有益于在未来使用下一代仪器进行测试。“从前做的土办法是通过观察甲烷氯化氯化氢气体体的分布来早期绘制宇宙的凹凸,”Bose博士解释说。“从观测的厚度来看,这是一项性性性性性成熟图片 图片 图片 的技术:大伙都有益于通过观察遥远星系(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; 浅紫色形态是甲烷氯化氯化氢气体体和暗物质

简而言之,从遥远的星系向大伙传播的光前要通过星系间介质。可能性在介入介质中发生一定量中性氢,则来自星系的发射线将被部分吸收,而可能性几乎这样,则它们将不受阻碍。可能性暗物质真的很冷,它将以甲烷氯化氯化氢气体体的“更大”分布的形式无缘无故出现,而WDM场景将由于振荡的块状物。

目前,天文仪器这样必要的分辨率来测量早期宇宙中的甲烷氯化氯化氢气体体振荡。但正如博斯博士指出的那样,这项研究都有益于为新实验和有益于进行那先 观察的新设施提供动力。

类事,像詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)从前的红外仪器可用于创建新的甲烷氯化氯化氢气体体吸收分布图。那先 地图既都有益于确认温暖暗物质的影响,也都有益于将其作为候选泽进行排除。大伙还希望这项研究有益于激发大伙对可能性考虑过的候选人的思考。

最后,正如博森博士所说,真正的价值来自从前一另五个 事实:那先 理论预测都有益于刺激观察到新的领域,并测试大伙认为大伙所知道的极限。“这什么都有 科学真正的详细,”他补充道,“做出预测,提出测试土办法,进行实验,有但是限制/排处理论!”