新研究：自相互作用暗物質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有望解開三個截然不同的宇宙謎題。

首個有望被破解的宇宙謎團，與在 JVAS B1938+666 天體系統中探測到的一團超高密度物質有關。基于廣義相對論特殊效應，該天體系統產生了引力透鏡效應，觀測影像發生明顯畸變。第二個謎題，和恒星流 GD-1 中一道肉眼可見的“痕跡”有關，這道痕跡看上去就像有一個致密的隱形天體從中橫穿撕裂而過。最后一個謎題，是銀河系伴星系天爐座矮星系中天爐座 6 號星團的怪異形成機制；若存在一塊致密暗物質區域充當引力陷阱，俘獲途經恒星，便能解釋該星團的特殊形成過程。

這項新研究認為，倘若暗物質粒子之間能夠發生自相互作用，便能同時解釋這三種特殊天文現象。

加州大學河濱分校、實驗宇宙學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，同一種物理機制，竟能適用于三種完全不同的宇宙場景 —— 遙遠深空、銀河系內部，以及鄰近的衛星矮星系。這些天文觀測呈現出的物質密度，都難以用標準模型暗物質理論解釋，卻能在自相互作用暗物質框架下自然形成。”

但暗物質“自相互作用”究竟意味著什么？為何這一特性會偏離這種神秘物質的經典標準理論圖景？

無相互作用暗物質無法解釋諸多宇宙謎題

首先，我們快速梳理一下暗物質的本質。

暗物質約占宇宙物質總量的 85%，其質量約為構成恒星、行星、衛星乃至人體的普通物質的 5 倍。科學家證實，暗物質不可能由構成世間萬物原子的質子、電子和中子組成，因為這類普通粒子會與光（準確來說是電磁輻射）發生相互作用，而組成暗物質的粒子卻不會。

這也意味著暗物質對人類而言幾乎完全不可見，人類只能通過其引力效應，以及對普通物質和光線產生的連鎖影響來探測它。目前，人類最成熟的宇宙演化理論是宇宙學標準模型，也被稱為 Λ 冷暗物質模型（LCDM 模型）。在該模型中，暗物質屬于“冷暗物質”：粒子運動速度緩慢，彼此相遇時不會發生碰撞，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，自相互作用暗物質的粒子之間可以發生碰撞，并交換能量與動量。這類相互作用會引發所謂的引力熱坍縮，進而形成致密、緊湊的暗物質核心。

JVAS B1938+666 的黑環和中心圓點呈現出一顆遙遠星系經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發出的射電波

余海波解釋道：“兩者的區別，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體系中，粒子間的相互作用會徹底重塑暗物質暈的內部結構。具備自相互作用特性的暗物質，能夠形成足夠高的密度，恰好匹配這些天文觀測結果。”

簡單來說，自相互作用暗物質能夠形成形態特殊的致密暗物質核心，足以解釋 JVAS B1938+666 的超高密度物質團、恒星流 GD-1 的怪異痕跡等奇異天文現象；而傳統無相互作用暗物質理論則無法做到這一點。余海波補充道：“具備自相互作用的暗物質可以達到足夠密度，完美契合各類天文觀測數據。”

IT之家注意到，該研究團隊的相關成果已于 4 月 9 日發表在《物理評論快報》期刊上。

參考資料：

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