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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要素也有由三种被称为“ 暗物质 ” 的神秘无形物质组成。从那另曾经,科学家们试图用双管齐下的办法来避免你这俩谜团。一方面,天体物理学家试图寻找还还要解释你这俩质量的候选粒子。

被委托人面,天体物理学家试图找到还还要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”的现象上,因此其相对简单,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因此实际上是“温暖”的想法。

这是基于宇宙模型的宇宙学模拟,使用包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。该研究最近再次出现在皇家天文法学会月刊中

科学家对LCDM宇宙学模型的表示

当它再次出现时,Dark Matter被恰当地命名。对于初学者来说,它占宇宙质量的大慨84%因此既不发射,而是吸收或反射光或任何你这俩已知形式的辐射。其次,它没人电磁荷,除了通过引力之外不与你这俩物质相互作用,这是三种基本力中最弱的。

第三,它也有由原子或它们通常的构件(即电子,质子和化子)组成,这能助 它的神秘性。因此,科学家们推测它还要由你这俩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没人再次出现。

无论其真实本质怎样才能,自从大爆炸事件处在大慨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,亲戚亲戚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。

大慨十亿年前曾经星系形成的模拟图

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。因此,它们与宇宙参数一致,如宇宙膨胀的速度,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想与重力影响之外的任何你这俩物质或辐射(包括其自身)相互作用 - 即它是“冷”的。这而是所谓的冷暗物质(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。这主而是因此在过去四十年左右的时间里,亲戚亲戚大伙经常在努力使用冷暗物质作为标准范例进行预测 - 因此将那先 范式与实际数据进行比较 - 发现一般来说,你这俩模型才能在各种尺度上重现各种观察到的现象。“

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”(在你这俩清况 下是中微子)进行数字模拟另曾经,冷暗物质场景成为了领跑者。那先 亚原子粒子非常相似于电子,但没人电荷。它们也很轻,以近乎光速的速度穿过宇宙(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。“出于你这俩是因为,另曾经时候刚开始考虑相反的限制,当它们出生时几乎没人任何速度的粒子(又称”冷“)。包含该候选泽的模拟更符合现代宇宙观测。

“在进行了与另曾经相同的星系聚类测试另曾经,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。在你后会 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,因此它通常以漂亮的颜色通过那先 测试。

另曾经吸引力的来源是,冷暗物质(大慨在理论上)应该是直接或间接可检测的。然而,这是CDM遇到麻烦的地方,因此到目前为止所有检测单个粒子的尝试都失败了。因此,宇宙学家因此考虑考虑你这俩因此与你这俩物质具有更小水平相互作用的候选泽。

这而是CfA的天文学家Sownak Bose试图与他的研究团队决定。为了亲戚亲戚大伙的学习,亲戚亲戚大伙专注于曾经“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。

有点是,它还还要与中微子相互作用,中微子是HDM场景的前者。亲戚亲戚大伙认为中微子在炎热的早期宇宙中非常普遍,因此“温暖的”暗物质的处在会产生强烈的影响。

“在相似模型中,暗物质粒子还还要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。“你这俩耦合在早期的宇宙'凹凸'中留下了曾经相当独特的印记,这与暗物质是曾经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)

为了测试你这俩点,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慨10亿到大慨140亿年(大慨现在),温暖和暗物质的处在将怎样才能影响星系的形成。Bose博士说:

“[W]进行了计算机模拟,以生成你这俩宇宙在经过14亿年的演变后因此会是那先 样子的实现。除了对暗物质成分建模外,亲戚亲戚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。“

因此,团队将结果相互比较,以选泽还还要区分彼此的特征签名。亲戚亲戚大伙发现,对于你这俩模拟来说,你这俩温暖的暗物质的影响太小而不明显。然而,它们以你这俩不同的办法处在,有点是在遥远的星系分布在整个太空中的办法。

你这俩观察结果有点有趣,因此它还还要在未来使用下一代仪器进行测试。“另曾经做的办法是通过观察氯化氢气体的分布来早期绘制宇宙的凹凸,”Bose博士解释说。“从观测的深层来看,这是一项心智心智性性性成熟 图片 的技术:亲戚亲戚大伙还还要通过观察遥远星系(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; 浅紫色特征是氯化氢气体和暗物质

简而言之,从遥远的星系向亲戚亲戚大伙传播的光还要通过星系间介质。因此在介入介质中处在絮状中性氢,则来自星系的发射线将被要素吸收,而因此几乎没人,则它们将不受阻碍。因此暗物质真的很冷,它将以氯化氢气体的“更大”分布的形式再次出现,而WDM场景将是因为振荡的块状物。

目前,天文仪器没人必要的分辨率来测量早期宇宙中的氯化氢气体振荡。但正如博斯博士指出的那样,这项研究还还要为新实验和才能进行那先 观察的新设施提供动力。

相似,像詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)另曾经的红外仪器可用于创建新的氯化氢气体吸收分布图。那先 地图既还还要确认温暖暗物质的影响,也还还要将其作为候选泽进行排除。亲戚亲戚大伙还希望这项研究才能激发亲戚亲戚大伙对因此考虑过的候选人的思考。

最后,正如博森博士所说,真正的价值来自另曾经曾经事实:那先 理论预测还还要刺激观察到新的领域,并测试亲戚亲戚大伙认为亲戚亲戚大伙所知道的极限。“这而是科学真正的全部,”他补充道,“做出预测,提出测试办法,进行实验,因此限制/排避免论!”