对暗物质的研究进展论文

哈勃太空望远镜的这张图像展示的是星系团MACS J1206。像这样的星系团质量巨大，其引力非常强劲，甚至能像放大镜一样弯曲光线。

图源：NASA, ESA, M. POSTMAN (STSCI) AND THE CLASH TEAM

撰文：MICHAEL GRESHKO

与人类一样，星系也忍受不了孤独。受引力牵引的星系倾向于聚群，一些星系甚至最终成了宇宙里的“大都市”：高达一千个星系聚成的团，全部重量超过我们太阳1千亿倍。

虽然我们可以看到星系团中闪耀的恒星，但可见的只是整个结构的一小部分。据科学家所知，有一团真正的重量级的东西藏在物质里，而且不可见，那就是无形而神秘的暗物质。与城市之下的水泥、沥青一样，一大团球状的暗物质支撑着整个星系团。与从城市街道上拔地而起的高楼一样，每个星系也被包裹在自己的暗物质小球里。

几十年来，天文学家一直试图理解暗物质是如何肩负起宇宙“城市规划者”的角色，塑造我们宇宙的结构。不过，最新的研究发现，无论暗物质是什么，它的行为都出乎研究人员的预料。

近日，《科学》刊发的一篇论文中，研究人员调查了11个巨大星系团使经过的光线弯曲的情况。该研究发现，这些星系团里所蕴含的暗物质团的数量，比之前超级计算机模型预测的要多10倍。

“当你发现如此大的差距时，最常见的情况是模型里的某个元素需要调整。”该研究论文的合著者、美国耶鲁大学理论天体物理学家Priyamvada Natarajan说，“但有时，在科学史上非常罕见的情况下，这一差距其实是指向了一个新的理论。”

宇宙透镜

目前关于宇宙关键材料，及不同材料随时间相互交互理论的主要模型是Λ冷暗物质模型（Lambda-CDM），而这篇新论文是对该模型发起挑战的一项最新研究成果。

根据Λ冷暗物质模型，宇宙所有物质和能量中，重子物质不到5%，即构成行星、恒星、星系、有机体及所有我们能看到物质的粒子集合。宇宙的大部分，约68%是暗能量，以希腊字母Λ（英语读作/'læmdə/）表示。正是暗能量这种神秘的斥力驱使宇宙加速膨胀。

宇宙里剩下的27%是由一种不可见的东西组成，那就是暗物质。根据上述模型，暗物质有质量，并能够形成引力场，不会和它们自身发生反应，不会发光，也不会通过引力之外的方式与常规物质相互作用。

为了验证Λ冷暗物质模型，意大利博洛尼亚天文台的Massimo Meneghetti带领的研究人员决定审视一下已知最大的几个星系团。该团队通过测量在望远镜中形成炫光的现象，调查星系团中物质的分布情况。

正如一个保龄球放在蹦床上会使布料变形、拉伸一样，物质也会改变其周围时空的几何形状。星系与星系团这类巨大的天体会使时空弯曲得非常厉害，以至于能使经过的光线弯曲。天文学家能观测到这种名为“引力透镜”的现象。

当某个天体极大、密度极高时，它所产生的引力透镜甚至能使光线分裂。对我们有利的是，这种反常现象看上去就像是这个天体被同一个背景光源的多重影像所包围。

暗物质的引力又会使这种效应加强，而且星系团里似乎填满了这种东西。根据我们最佳的模型，不光有星系团被巨大的暗物质球形光环所包裹，星系团里的单个星系也处在自己的暗物质“亚光环”里。

Meneghetti的团队测绘了11个星系团，计算了较小的引力透镜的数量，结果发现数量是预期的10倍多。这一观测结果表明暗物质亚光环的密度比计算机模拟的更高，而这个结果似乎与Λ冷暗物质模型相悖。

修正宇宙理论

这并非宇宙观测结果与Λ冷暗物质模型首次出现相悖。然而，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的天体物理学家Mike Boylan-Kolchin（未参与本研究）解释说，新发现之所以尤为令人意外，是因为这一错位与目前对这一模型的其他验证都不一样。

附近星系的结构意味着这些位置的暗物质的密度比理论预测的低。然而，这个新的反常却“另辟蹊径”，要求星系团中的暗物质的密度比Λ冷暗物质模型预测的高，否则就不可能出现这种观测结果。

Meneghetti说：“我们发现的这个难题完全走向了反方向。”

导致理论与观测结果之间产生新冲突的原因是什么呢？有可能是计算机模型未能完美地捕捉到星系形成的机制，也可能只是计算机模型没有解决方案去模拟如此庞大的结构。但是，该论文的作者们称，他们考虑到了这些可能的误差，而且截至目前，这些误差都无法解释观测与模型之间如此大的差异。

还有一个挑战在于，任何理论修正都要与Λ冷暗物质模型对宇宙其他特征的解释一样完美。Λ冷暗物质模型认为暗物质是“冷的”，或者说在宇宙早期粒子运动得相当缓慢。这种迟缓很有必要，能使某些地方的暗物质密度比平均值稍高一些。这些密度稍高的区域随后因自身重力坍缩，促使常规物质聚集形成恒星、行星和星系。

尽管Λ冷暗物质模型在解释大尺度宇宙系统时很出色，但它的预测却与直径小于330万光年（大星系或星系团的尺度）的结构并不相符。天文学家们通常所看到的小天体数量比Λ冷暗物质模型预测的少，星系内高密度区域的数量也比模型预测的少，而新观测结果发现的高密度区域甚至比模型预测的更多。

未来的理论模型必须要解释暗物质在小尺度下的两面性特征。美国加州大学尔湾分校的天体物理学家James Bullock（未参与本研究）称：“这就像是需要同时穿过几个不同的针鼻儿一样。”

英国杜伦大学的物理学家Mathilde Jauzac是引力透镜方面的专家（并未参与本研究）。她补充说，进一步验证这一问题会非常复杂。一个原因在于星系团并不常见。这次的新研究已经包含了尽可能多的星系团，也就是11个。

Mathilde Jauzac补充道，由于大星系团很罕见，因此在模拟中出现得并不频繁。所以，为了看到更多星系团，建模者必须得模拟出更大的空间，也就需要更大量的数据运算。

当天体物理学家们在Λ冷暗物质模型中发现足够多的矛盾，他们或许将能够发现新的理论，更精确地解释我们的宇宙：大爆炸如何引发一系列宇宙反应，最终一步一步地、一颗星一颗星地产生我们的地球，并最终孕育出我们。

（译者：Mikegao）

暗物质，约占宇宙质量 85% 的物质。不发光，不容易被检测到。它的属性也仍然相当模糊。 现在，加州大学河滨分校的理论粒子物理学家及其同事在《 高能物理学杂志》上 发表了一篇研究论文，该 论文 展示了假设存在一种新型力的理论如何有助于解释暗物质的特性。 “我们生活在暗物质的海洋中，但我们对它可能是什么知之甚少，”物理学和天文学助理教授、该论文的资深作者 Flip Tanedo 说。“它是自然界中已知的最令人烦恼的未知数之一。我们知道它存在，但我们不知道如何寻找它，也不知道为什么它没有出现在我们预期的地方。” 这项新研究提出在时空中存在一个额外的维度来寻找暗物质，这是由 Tanedo 领导的加州大学河滨分校正在进行的研究是项目的一部分。根据这个理论，一些暗物质粒子的行为不像粒子。实际上，不可见的粒子与更不可见的粒子相互作用，以至于后者不再表现得像粒子。 “我过去两年研究计划的目标是将暗物质‘对话’的想法扩展到暗力量，”Tanedo 说。“在过去的十年里，物理学家开始意识到，除了暗物质之外，隐藏的暗力量可能会支配暗物质的相互作用。这些可能会完全改写人们应该如何寻找暗物质的规则。” 如果两个暗物质粒子相互吸引或排斥，那么暗力量就会起作用。Tanedo 解释说，暗力是由具有额外维度的理论在数学上描述的，并表现为粒子的连续体，可以解决小星系中的难题。 “我们在 UCR 正在进行的研究项目是对黑暗势力提议的进一步概括，”他说。“我们观察到的宇宙有空间的三个维度。我们提出可能存在只有暗势力知道的第四维度。额外的维度可以解释为什么暗物质对我们在实验室中进行研究的尝试隐藏得如此之好。” Tanedo 解释说，虽然额外维度听起来像是一个奇特的想法，但它们实际上是描述“共形场论”的数学技巧——高度量子力学的普通三维理论。这些类型的理论在数学上很丰富，但不包含常规粒子，因此通常被认为与描述自然无关。这些具有挑战性的三维理论与更易于处理的额外维度理论之间的数学等效性被称为全息原理。 “由于这些共形场理论既棘手又不寻常，它们并没有真正系统地应用于暗物质，”Tanedo 补充道。“我们不使用那种语言，而是使用全息超维理论。” 超维理论的关键特征是暗物质粒子之间的力由无数不同质量的不同粒子描述，称为连续体。相比之下，普通力由具有固定质量的单一类型粒子描述。这类连续暗区对 Tanedo 来说是令人兴奋的，因为它做了一些“新鲜而不同”的事情。 根据 Tanedo 这种说法，过去对暗区的研究主要集中在模拟可见粒子行为的理论上。他的研究计划正在 探索 大多数粒子物理学家认为不那么有趣的更极端类型的理论，这可能是因为现实世界中不存在类似物。 在 Tanedo 的理论中，暗物质粒子之间的力与普通物质感受到的力惊人地不同。 “对于我在物理入门课程中讲授的引力或电力，当你将两个粒子之间的距离加倍时，力就会减少四倍。另一方面，连续力会减少四分之一最多八个。” 这种额外维度的黑暗力量有什么含义？由于普通物质可能不会与这种暗力发生相互作用，Tanedo 转向了自相互作用暗物质的想法，这是 UCR 物理和天文学副教授 Hai-Bo Yu 率先提出的想法，他不是该论文的合著者。Yu 表明，即使在与正常物质没有任何相互作用的情况下，也可以在矮椭球星系中间接观察到这些暗力的影响。Tanedo 的团队发现连续力可以再现观察到的恒星运动。 “我们的模型走得更远，比自相互作用暗物质模型更容易解释暗物质的宇宙起源，”Tanedo 说。 接下来，Tanedo 的团队将 探索 “暗光子”模型的连续版本。 “对于黑暗力量来说，这是一幅更真实的画面，”Tanedo 说。“暗光子已经得到了非常详细的研究，但我们的超维框架有一些惊喜。我们还将研究暗力的宇宙学和黑洞的物理学。” Tanedo 一直在努力寻找他的团队寻找暗物质的“盲点”。 “我的研究计划针对的是我们对粒子物理学所做的假设之一：粒子之间的相互作用可以通过更多粒子的交换得到很好的描述，”他说。“虽然这对普通物质来说是正确的，但没有理由假设暗物质也是如此。它们的相互作用可以用交换粒子的连续体来描述，而不仅仅是交换单一类型的力粒子。”