科學(xué)通報(bào) | “質(zhì)量分層”的自相互作用暗物質(zhì)如何重塑宇宙結(jié)構(gòu)

人們常感慨銀河的浩瀚, 然而這些能看到的璀璨景象只占宇宙總質(zhì)量的一小部分. 支撐起星系“骨架”的, 是一種看不見(jiàn), 僅通過(guò)引力影響星系運(yùn)動(dòng)的神秘成分: 暗物質(zhì). 正是由于它的存在, 星系才能高速旋轉(zhuǎn)而不散架, 遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光也才會(huì)被彎曲成奇妙的引力透鏡圖像. 圖1 展示了宇宙學(xué)模擬當(dāng)中暗物質(zhì)的投影密度分布. 其中紅色的臨界曲線表示引力透鏡效應(yīng)最強(qiáng)的邊界, 靠近它時(shí)背景天體會(huì)被極度放大并拉成長(zhǎng)弧. 本文將介紹中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)近期在該方面取得的一項(xiàng)進(jìn)展 [1] .

圖 1 雙成分自相互作用暗物質(zhì)模型中暗物質(zhì)投影密度分布及其引起的強(qiáng)透鏡臨界曲線

過(guò)去幾十年中, 以冷暗物質(zhì)和暗能量為基礎(chǔ)的宇宙學(xué)模型成功解釋了宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成, 被視為標(biāo)準(zhǔn)模型. 然而, 當(dāng)觀測(cè)的“放大鏡”對(duì)準(zhǔn)星系內(nèi)部和更精細(xì)的結(jié)構(gòu)時(shí), 一些新的挑戰(zhàn)逐漸顯現(xiàn).

隨著天文觀測(cè)分辨率的不斷提高, 科學(xué)家開(kāi)始關(guān)注星系內(nèi)部, 尤其是質(zhì)量較小的矮星系. 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 一些矮星系中心的物質(zhì)分布異常“平坦”. 其密度并未像冷暗物質(zhì)模型所預(yù)測(cè)的那樣在中心急劇升高, 而是形成了一個(gè)近似恒定密度的“核心” [2] . 近來(lái), 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)關(guān)于矮星系成團(tuán)性的研究進(jìn)一步指出, 這些核心的大小似乎與星系的形成時(shí)間相關(guān): 形成得越早, 核心往往越大 [3] . 這一趨勢(shì)難以用冷暗物質(zhì)解釋, 卻恰好符合一種具有自相互作用的暗物質(zhì)所給出的預(yù)言 [4] .

然而, 在另一些觀測(cè)中, 暗物質(zhì)卻呈現(xiàn)出幾乎相反的面貌. 在強(qiáng)引力透鏡系統(tǒng)中, 研究人員通過(guò)背景星系圖像的扭曲, 間接探測(cè)到一些致密的暗物質(zhì)結(jié)構(gòu). 第一類證據(jù)來(lái)自所謂的強(qiáng)透鏡擾動(dòng)體: 它們通常質(zhì)量較低, 包含少許甚至不含恒星, 卻足夠致密且能顯著改變透鏡像的形狀或亮度 [ 5 ~ 7 ] . 對(duì)這些系統(tǒng)的重建結(jié)果表明, 其中心暗物質(zhì)分布異常致密, 遠(yuǎn)超冷暗物質(zhì)模型的預(yù)期 [ 8 , 9 ] . 第二類證據(jù)則來(lái)自星系-星系強(qiáng)透鏡的統(tǒng)計(jì)研究. 這些透鏡事件主要由星系團(tuán)中的矮星系及暗物質(zhì)暈貢獻(xiàn). 觀測(cè)發(fā)現(xiàn), 這類小尺度透鏡的數(shù)量明顯多于理論預(yù)測(cè), 暗示這些系統(tǒng)的中心質(zhì)量分布比預(yù)期更加集中 [10] .

于是, 一個(gè)長(zhǎng)期困擾天體物理學(xué)家的問(wèn)題浮現(xiàn): 為何在一些矮星系中, 暗物質(zhì)顯得過(guò)于“松散”, 而在強(qiáng)引力透鏡中, 它又顯得異常“緊湊”? 更耐人尋味的是, 矮星系成團(tuán)性與星系-星系強(qiáng)透鏡這兩類現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的暗暈質(zhì)量相差并不懸殊. 什么樣的理論框架才能調(diào)和“核心化的矮星系”和“高度致密的透鏡結(jié)構(gòu)”呢?

為了解釋這些小尺度上的挑戰(zhàn), 科學(xué)家提出: 暗物質(zhì)粒子之間, 或許可以發(fā)生以彈性散射為主的碰撞. 由于沒(méi)有能量耗散, 它們不會(huì)讓暗物質(zhì)像氣體那樣冷卻并形成致密結(jié)構(gòu), 亦不會(huì)破壞宇宙的大尺度結(jié)構(gòu), 僅在小尺度上改變暗物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和密度分布 [ 11 , 12 ] . 該模型的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于, 散射所引起的暗暈引力熱演化(即通過(guò)粒子間散射在引力束縛下重新分配動(dòng)能并驅(qū)動(dòng)內(nèi)外區(qū)域的能量交換)既能形成平坦的核心結(jié)構(gòu), 也能形成致密的尖峰結(jié)構(gòu). 模型的速度依賴和暗暈結(jié)構(gòu)耦合, 可以用來(lái)緩解冷暗物質(zhì)模型在矮星系尺度上的部分困難 [13] .

然而, 如果暗物質(zhì)只有單一成分, 要形成足夠致密的核心往往需要很強(qiáng)的相互作用. 此外, 中心暗暈變尖本身并不一定意味著該區(qū)域質(zhì)量或愛(ài)因斯坦半徑的增加. 這使得單組分自相互作用暗物質(zhì)模型難以同時(shí)兼顧矮星系結(jié)構(gòu)、強(qiáng)引力透鏡擾動(dòng)體以及透鏡統(tǒng)計(jì)等多方面的觀測(cè)約束.

近期, 中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)的研究團(tuán)隊(duì)提出: 暗物質(zhì)可能并非由單一粒子組成, 而是至少包含不同質(zhì)量的多種成分. 在這一模型中, 暗物質(zhì)至少包括較重和較輕兩類粒子, 它們不僅通過(guò)引力相互作用, 還可以發(fā)生直接的散射碰撞. 這種多成分結(jié)構(gòu)在物理上并不陌生, 普通物質(zhì)世界正是由質(zhì)量差異巨大的粒子共同構(gòu)成的. 關(guān)鍵在于, 當(dāng)不同質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子能夠發(fā)生碰撞時(shí), 一種重要的動(dòng)力學(xué)過(guò)程會(huì)自然出現(xiàn): 質(zhì)量分層.

質(zhì)量分層是一種在引力系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象. 例如在球狀星團(tuán)中, 質(zhì)量較大的恒星會(huì)通過(guò)能量交換逐漸向中心沉降, 而較輕的恒星則更容易分布在外層. 研究人員發(fā)現(xiàn), 在雙成分自相互作用暗物質(zhì)模型中, 也會(huì)發(fā)生類似的過(guò)程: 較重的暗物質(zhì)粒子在碰撞中逐漸向引力勢(shì)阱中心聚集, 而較輕的粒子則傾向于向外擴(kuò)散. 這一長(zhǎng)期演化的質(zhì)量分層過(guò)程重塑了暗暈的引力熱演化, 使演化整體加快的同時(shí), 核心區(qū)域的質(zhì)量得以增強(qiáng), 并在相當(dāng)一部分暗暈中仍保持平坦的核心結(jié)構(gòu). 正是這一機(jī)制, 為理解暗物質(zhì)在不同環(huán)境中的多樣表現(xiàn)提供了新的物理基礎(chǔ).

將質(zhì)量分層與引力熱演化機(jī)制引入到暗暈的結(jié)構(gòu)形成中, 本身就是一項(xiàng)跨學(xué)科且具有技術(shù)挑戰(zhàn)的任務(wù). 相關(guān)暗暈的質(zhì)量范圍從矮星系延伸到星系團(tuán), 跨越超過(guò)6個(gè)數(shù)量級(jí), 不同尺度下的形成歷史、環(huán)境效應(yīng)以及主導(dǎo)物理過(guò)程均存在顯著差異. 為此, 研究團(tuán)隊(duì)不僅開(kāi)展了雙成分自相互作用暗物質(zhì)的高分辨率數(shù)值模擬, 還在此基礎(chǔ)上發(fā)掘了條件普適性規(guī)律, 并基于此拓展了單組分自相互作用暗暈的參數(shù)化模型及其透鏡效應(yīng)的解析計(jì)算 [ 14 , 15 ] , 用于描述低質(zhì)量雙成分暗暈的長(zhǎng)期演化. 通過(guò)將數(shù)值模擬與解析建模相結(jié)合, 該研究在保留關(guān)鍵物理機(jī)制的同時(shí), 實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同質(zhì)量尺度和演化階段暗暈結(jié)構(gòu)變化的統(tǒng)一刻畫.

在此框架下, 質(zhì)量分層效應(yīng)在不同尺度和環(huán)境中, 自然呈現(xiàn)出三種彼此關(guān)聯(lián)的觀測(cè)結(jié)果. 在矮星系中, 自相互作用使暗暈形成平坦的核心結(jié)構(gòu), 而質(zhì)量分層效應(yīng)則傾向于提高核心區(qū)域的物質(zhì)聚集效率. 在重子引力勢(shì)的共同作用下, 暗暈可以在核心逐漸變大的同時(shí), 中心密度并不降低, 甚至隨時(shí)間有所增強(qiáng), 從而兼容強(qiáng)透鏡的觀測(cè). 在強(qiáng)引力透鏡擾動(dòng)體中, 質(zhì)量分層會(huì)加速暗暈向致密狀態(tài)演化, 使少數(shù)暗物質(zhì)子結(jié)構(gòu)異常緊湊, 從而產(chǎn)生顯著的透鏡擾動(dòng)信號(hào). 值得注意的是, 北京師范大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究表明, 單成分自相互作用模型需要 100?cm2/g 的單位質(zhì)量截面才能解釋觀測(cè) [8] , 而在質(zhì)量分層模型中, 所需數(shù)值可降低為原來(lái)的1/50. 在星系團(tuán)環(huán)境的統(tǒng)計(jì)層面, 質(zhì)量分層增強(qiáng)了子結(jié)構(gòu)在透鏡相關(guān)尺度上的內(nèi)區(qū)質(zhì)量, 使其更容易達(dá)到形成小尺度強(qiáng)引力透鏡所需的條件, 從而提高了星系-星系強(qiáng)透鏡事件的整體發(fā)生概率. 圖2 對(duì)比了冷暗物質(zhì)模型(a)和雙成分自相互作用暗物質(zhì)模型(b)所預(yù)言的焦散線結(jié)構(gòu). 焦散線是臨界曲線在源平面的映射, 對(duì)應(yīng)透鏡放大率發(fā)散的位置, 其鄰域內(nèi)的源會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)放大和多像結(jié)構(gòu). 一般來(lái)說(shuō), 閉合焦散線越多、范圍越大, 意味著能夠產(chǎn)生強(qiáng)放大的區(qū)域越廣, 從而更容易形成顯著的透鏡現(xiàn)象. 可以看出, 雙組分模型對(duì)應(yīng)的透鏡效應(yīng)明顯更強(qiáng).

圖 2 冷暗物質(zhì)模型(a)和雙成分自相互作用暗物質(zhì)模型(b)預(yù)言的焦散線對(duì)比. 閉合焦散線的數(shù)量越多、尺度越大, 越容易產(chǎn)生強(qiáng)透鏡現(xiàn)象 [1]

這項(xiàng)研究傳遞出一個(gè)重要信息: 來(lái)自不同尺度的觀測(cè)線索正指向一點(diǎn): 暗物質(zhì)或具有更豐富的內(nèi)部組分. 如果暗物質(zhì)確實(shí)由多種成分構(gòu)成, 那么它在不同環(huán)境中的表現(xiàn)可以自然地從同一套動(dòng)力學(xué)過(guò)程中涌現(xiàn)出來(lái). 也許正是這些看似彼此矛盾、卻在統(tǒng)一框架下相互呼應(yīng)的宇宙現(xiàn)象, 正在引領(lǐng)我們逐步接近暗物質(zhì)的真實(shí)面貌.

該研究是中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)在雙成分自相互作用暗物質(zhì)方向上的第二項(xiàng)工作, 相關(guān)成果近日發(fā)表于 Science Bulletin . 在此前的一項(xiàng)研究中, 該研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了質(zhì)量分層效應(yīng)對(duì)矮星系核心密度分布多樣性的影響, 相關(guān)成果已發(fā)表在 Physical Review D [16] . 中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)是中國(guó)暗物質(zhì)研究的重要機(jī)構(gòu)之一, 在暗物質(zhì)間接探測(cè)領(lǐng)域承擔(dān)了以“悟空號(hào)”為依托的國(guó)家研究任務(wù), 并長(zhǎng)期開(kāi)展天體物理與宇宙學(xué)相關(guān)研究, 在暗物質(zhì)、星系演化等領(lǐng)域亦有重要影響.

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