暗物質(zhì)很可能是醞釀?dòng)钪嬷凶钤缧窍档钠鹗汲煞郑诖蟊ê蟛痪?，暗物質(zhì)粒子就會(huì)聚集在一起形成引力“暈”，將周圍的氣體拉進(jìn)它們的核心，隨著時(shí)間的推移，這些核心冷卻并凝聚成第一個(gè)星系。

盡管暗物質(zhì)被認(rèn)為是宇宙結(jié)構(gòu)的中堅(jiān)力量，但科學(xué)家對(duì)其性質(zhì)知之甚少，因?yàn)榈侥壳盀橹?，這些粒子一直沒(méi)有被探測(cè)到。現(xiàn)在麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)和劍橋大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，早期宇宙和最初的星系看起來(lái)會(huì)非常不同，這取決于暗物質(zhì)的性質(zhì)。

如果暗物質(zhì)是“模糊的”，而不是冷暗物質(zhì)或暖暗物質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)第一次模擬了早期星系形成的樣子。在最廣泛接受的情況下，暗物質(zhì)是冷的（也就是冷暗物質(zhì)），由緩慢移動(dòng)的粒子組成，除了引力效應(yīng)外，這些粒子與普通物質(zhì)沒(méi)有相互作用。暖暗物質(zhì)被認(rèn)為是冷暗物質(zhì)一個(gè)稍輕和移動(dòng)更快的版本，而模糊暗物質(zhì)，一個(gè)相對(duì)較新的概念，是完全不同的東西，由超輕粒子組成，每個(gè)粒子質(zhì)量約為電子的十億分之一(10^-27)(冷暗物質(zhì)粒子要重得多，大約是電子質(zhì)量的10^5倍)。

在研究模擬中，研究人員發(fā)現(xiàn)，如果暗物質(zhì)是冷的，那么早期宇宙中的星系將在接近球形的暈中形成。但是，如果暗物質(zhì)的性質(zhì)是模糊暗物質(zhì)或暖暗物質(zhì)，那么早期的宇宙看起來(lái)會(huì)非常不同，星系首先在延伸的尾巴狀細(xì)絲中形成。在模糊暗物質(zhì)的宇宙中，這些細(xì)絲會(huì)出現(xiàn)條紋，就像豎琴上點(diǎn)亮星光的弦。隨著新的望遠(yuǎn)鏡上線，將能夠看到更遠(yuǎn)的早期宇宙，科學(xué)家或許能夠從星系形成的模式中，推斷出暗物質(zhì)的性質(zhì)是“模糊”的，而不是冷暗物質(zhì)或暖暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)占宇宙中近85%的物質(zhì)

麻省理工學(xué)院Kavli天體物理和空間研究所的物理學(xué)副教授Mark Vogelsberger是發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上這項(xiàng)研究的合著者，該論文主要作者是普林斯頓大學(xué)的Philip Mocz和劍橋大學(xué)的Anastasia Fialkov，以及以前的蘇塞克斯大學(xué)。雖然暗物質(zhì)還沒(méi)有被直接探測(cè)到，但描述暗物質(zhì)為冷的假設(shè)已經(jīng)被證明成功地描述了可觀察宇宙的大規(guī)模結(jié)構(gòu)，因此，星系形成模型是基于冷暗物質(zhì)的假設(shè)。

問(wèn)題是，在對(duì)冷暗物質(zhì)的觀察和預(yù)測(cè)之間存在一些差異。例如，如果觀察非常小的星系，這些星系中暗物質(zhì)的推斷分布與理論模型預(yù)測(cè)并不完全一致，因此那里存在著“張力”。然后，進(jìn)入暗物質(zhì)的另一種理論，包括暖暗物質(zhì)和模糊暗物質(zhì)，這是近年來(lái)研究人員提出的。暗物質(zhì)的本質(zhì)仍然是一個(gè)謎，模糊暗物質(zhì)是由基礎(chǔ)物理(例如弦理論)驅(qū)動(dòng)的，因此是一個(gè)有趣的暗物質(zhì)候選者。宇宙結(jié)構(gòu)是驗(yàn)證或排除這種暗物質(zhì)模型的關(guān)鍵。

模糊暗物質(zhì)是由非常輕的粒子組成，它們以量子、波狀的方式活動(dòng)，而不是單獨(dú)的粒子。這種模糊暗物質(zhì)的量子性質(zhì)可能產(chǎn)生了早期星系，這些星系看起來(lái)與標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)冷暗物質(zhì)的預(yù)測(cè)完全不同。即使在晚期宇宙中，這些不同的暗物質(zhì)場(chǎng)景可能會(huì)預(yù)測(cè)出類似的星系形狀，但第一個(gè)星系將是截然不同的，這將給我們提供關(guān)于暗物質(zhì)是什么的線索。

為了了解冷暗物質(zhì)和模糊暗物質(zhì)的早期宇宙有多么不同，研究人員模擬了早期宇宙的一個(gè)小立方體空間，直徑約為300萬(wàn)光年，并將其向前運(yùn)行，以觀察在三種暗物質(zhì)場(chǎng)景之一：冷、溫暖和模糊的情況下，星系將如何形成。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)假設(shè)暗物質(zhì)的某種分布開始每一次模擬，科學(xué)家們根據(jù)宇宙微波背景，在宇宙大爆炸后40萬(wàn)年被探測(cè)到的“遺跡輻射”測(cè)量，對(duì)暗物質(zhì)的分布有了一些了解。暗物質(zhì)沒(méi)有恒定的密度，即使在早期，在恒定密度場(chǎng)的頂部有微小擾動(dòng)。

豎琴弦的宇宙地圖

研究人員能夠使用現(xiàn)有算法在冷暗物質(zhì)和暖暗物質(zhì)的情況下模擬星系形成。但是為了模擬具有量子性質(zhì)的模糊暗物質(zhì)，需要一種新的方法。研究人員修改了對(duì)冷暗物質(zhì)的模擬，使其能夠解決兩個(gè)額外的方程，以便模擬模糊暗物質(zhì)宇宙中的星系形成。第一個(gè)方程，薛定諤方程，描述了量子粒子如何充當(dāng)波，而第二個(gè)方程，泊松方程，描述了該波如何產(chǎn)生密度場(chǎng)，或暗物質(zhì)的分布，以及這種分布如何導(dǎo)致引力-最終吸引物質(zhì)形成星系的力量。

然后將這一模擬與描述宇宙中氣體行為的模型相結(jié)合，以及氣體凝聚成星系的方式，以響應(yīng)引力效應(yīng)。在這三種情況下，星系都是在密度過(guò)大或重力塌陷的暗物質(zhì)大量聚集的地方形成。然而，這種暗物質(zhì)的模式是不同的，這取決于它是冷暗物質(zhì)，暖暗物質(zhì)，還是模糊暗物質(zhì)。在冷暗物質(zhì)情況下，星系形成于球狀暈以及較小的次暈中。暖暗物質(zhì)產(chǎn)生了第一個(gè)尾巴狀細(xì)絲的星系，沒(méi)有亞暈。這可能是由于暖暗物質(zhì)更輕，移動(dòng)更快的性質(zhì)，使得粒子不太可能停留在較小的次暈團(tuán)塊中，類似于暖暗物質(zhì)，模糊暗物質(zhì)沿著細(xì)絲形成恒星。

但是后來(lái)量子波效應(yīng)“接管”了形成星系的過(guò)程，形成了更多條紋的細(xì)絲，就像看不見(jiàn)的豎琴上的弦。這種條紋圖案是由于干擾，當(dāng)兩個(gè)波重疊時(shí)就會(huì)產(chǎn)生這種影響。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，例如在光波中，每個(gè)波的波峰和波谷對(duì)齊點(diǎn)形成較暗斑點(diǎn)，形成亮和暗區(qū)域的交替圖案。在模糊暗物質(zhì)的情況下，而不是亮點(diǎn)和暗點(diǎn)，它產(chǎn)生了暗物質(zhì)密度過(guò)高和過(guò)低的交替模式。在這些過(guò)密度處得到大量重力拉力，氣體也會(huì)隨之而來(lái)，并且在某個(gè)點(diǎn)上會(huì)沿著這些過(guò)密，而不是不足密度形成星系，這幅圖畫將在整個(gè)早期宇宙中復(fù)制。

該團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)更詳細(xì)預(yù)測(cè)早期星系在由模糊暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中可能是什么樣子。目標(biāo)是為即將到來(lái)的望遠(yuǎn)鏡提供一張地圖，例如詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，它可能能夠追溯到足夠遠(yuǎn)的時(shí)間來(lái)發(fā)現(xiàn)最早星系。如果看到了絲狀星系，例如Mocz，F(xiàn)ialkov，研究人員模擬的那些星系，這可能是暗物質(zhì)本質(zhì)是模糊暗物質(zhì)的第一個(gè)跡象?；趯?duì)早期宇宙的觀察，可以為暗物質(zhì)的性質(zhì)提供這種觀測(cè)測(cè)試，這將在未來(lái)幾年內(nèi)變得可行。

博科園｜研究/來(lái)自：麻省理工學(xué)院

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.141301

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