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也许暗物质是暖和的 而不是冷的

时间:2019-08-08 10:43:04 根源:科技巴巴 评论:0 点击:0
自20世纪60年代“ 广义相对论的黄金时代 ”以后,科学家们认为宇宙的阵势部都是由一种被称为“ 暗物质 ” 的秘密无形物质构成。从那以后,科学家们试图用双管齐下的方法来办理这个谜团。一方面,天体物理学家试图寻找可以标明这一质料的候选粒子。

另一方面,天体物理学家试图找到可以标明暗物质方法的表面根底。到目前为止,争辩汇合它是“热”照旧“冷”的题目上,因为其相对简单,冷的看法比较占优势。然而,由哈佛 - 史密森尼天体物理中心(CfA)指导的一项新研讨revits Dark Matter可以实行上是“暖和”的念法。

这是基于宇宙模子的宇宙学模拟,运用包罗暖和暗物质的宇宙模子。模拟由CfA,麻省理工学院Kavli天体物理与空间研讨所,莱布尼茨波茨坦天体物理研讨所和众所大学的国际研讨团队举行。该研讨近来呈现皇家天文学会月刊中

科学家对LCDM宇宙学模子的外示

当它呈现时,Dark Matter被恰外埠命名。关于初学者来说,它占宇宙质料的大约84%可是既不发射,也不接纳或反射光或任何其他已知方式的辐射。其次,它没有电磁荷,除了通过引力除外不与其他物质互相感化,这是四种基本力中最弱的。

第三,它不是由原子或它们一般的构件(即电子,质子和中子)构成,这有帮于它的秘密性。于是,科学家们推测它必需由少许契合宇宙定律的新物质构成,但古板的粒子物理研讨中并没有呈现。

无论其真收怎样,自从大爆炸事情爆发大约10亿年以后,暗物质对宇宙的演化发生了深远的影响。终究上,人们认为它从星系的变成到宇宙微波被页鲸CMB)辐射分布的各个方面发挥了要害感化。

大约十亿年前两个星系变成的模拟图

更主要的是,思索到暗物质所起感化的宇宙学模子取得了对这两种截然差别的宇宙构造的观察的支撑。而且,它们与宇宙参数同等,如宇宙膨胀的速率,它本身受到秘密的,不可睹的力(称为“ 暗能量 ”)的影响。

目前,最广泛承受的暗物质模子假设它不会与重力影响除外的任何其他物质或辐射(包罗其本身)互相感化 - 即它是“冷”的。这便是所谓的冷暗物质(CDM)场景,它一般与LCDM宇宙学模子方式的暗能量表面(由Lambda外示)相联合。

正如CfA的天文学家和研讨的主要作家Sownak Bose博士通过电子邮件向今日宇宙标明:

“[CDM]是颠末最佳测试和首选的模子。这重假如因为过去四十年尊驾的时间里,人们不停起劲运用冷暗物质举措标准典范举行预测 - 然后将这些范式与实行数据举行比较 - 发明一般来说,这个模子可以种种标准上重现种种观察到的现象。“

正如他所描画的那样,宇宙演化的数值模拟运用“热暗物质”(这种状况下是中微子)举行数字模拟之后,冷暗物质场景成为了领跑者。这些亚原子粒子十分相似于电子,但没有电荷。它们也很轻,以近乎光速的速率穿过宇宙(换句话说,它们运动学上很“热”)。

这些模拟外明,预测的分布看起来与本日的宇宙无关,“Bose增补道。“出于这个启事,开端思索相反的限制,当它们出生时确实没有任何速率的粒子(又称”冷“)。包罗该候选者的模拟更契合当代宇宙观测。

“举行了与以前相同的星系聚类测试之后,天文学家发清楚模拟广告观测到的宇宙之间的惊人同等性。随后的几十年中,冷颗粒通过比简单的星系聚类更厉厉,非平常的测试举行了测试,而且它一般以漂亮的颜色通过这些测试。

另一个吸引力的根源是,冷暗物质(起码表面上)应当是直接或间接可检测的。然而,这是CDM碰到繁难的地方,因为到目前为止通通检测单个粒子的实验都糜烂了。于是,宇宙学家曾经思索思索其他可以与其他物质具有更小程度互相感化的候选者。

这便是CfA的天文学家Sownak Bose试图与他的研讨团队决议。为了他们的进修,他们笃志于一个“暖和的”暗物质候选人。该表面粒子具有与接近光速挪动的十分轻的粒子巧妙地互相感化的才能。

特别是,它可以与中微子互相感化,中微子是HDM场景的前者。人们认为中微子炎热的早期宇宙中十分广泛,于是“暖和的”暗物质的保管会发生激烈的影响。

“这类模子中,暗物质粒子可以与光子或中微子等辐射物质举行有限(但弱)互相感化,”Bose博士说。“这种耦合早期的宇宙'上下'中留下了一个相当奇特的印记,这与暗物质是一个冷粒子时的预期有很大的差别。”

美国宇航局哈勃太空千里镜拍摄的漩涡星系的可睹光(左)和红外图像(右)

为了测试这一点,该团队哈佛大学和冰岛大学的超级盘算方法中举行了最先辈的宇宙学模拟。这些模拟思索了大爆炸后大约10亿到大约140亿年(大约现),温暖和暗物质的保管将怎样影响星系的变成。Bose博士说:

 

“[W]举行了盘算机模拟,以生成这个宇宙颠末14亿年的演变后可以会是什么式样的完成。除了对暗物质因素修模外,我们还包罗最先辈的恒星变成处方,超新星和黑洞的影响,金属的变成。“

然后,团队将结果互比较拟,以确定可以区分互相的特征签名。他们发明,关于许众模拟来说,这个暖和的暗物质的影响太小而不分明。然而,它们以少许差别的方法保管,特别是遥远的星系分布通通太空中的方法。

这一观察结果特别幽默,因为它可以未来运用下一代仪器举行测试。“如许做的方法是通过观察氢气的分布来早期绘制宇宙的上下,”Bose博士标明说。“从观测的角度来看,这是一项成熟的技能:我们可以通过观察遥远星系(一般是类星体)的光谱探测早期宇宙中的中性氢。”

盘算机模拟宇宙中物质的分布。橙色地区具有星系; 蓝色构造是气体和暗物质

简而言之,从遥远的星系向我们传达的光必需通过星系间介质。假如介入介质中保管大宗中性氢,则来自星系的发射线将被部分接纳,而假如确实没有,则它们将不受妨碍。假如暗物质真的很冷,它将以氢气的“更大”分布的方式呈现,而WDM场景将导致振荡的块状物。

目前,天文仪器没有须要的区分率来测量早期宇宙中的氢气振荡。但正如博斯博士指出的那样,这项研讨可认为新实行和可以举行这些观察的新方法供应动力。

比如,像詹姆斯韦伯太空千里镜(JWST)如许的红外仪器可用于创立新的氢气接纳分布图。这些地图既可以确认暖和暗物质的影响,也可以将其举措候选者举行扫除。人们还期望这项研讨可以激起人们对曾经思索过的候选人的考虑。

着末,正如博森博士所说,真正的代价来自如许一个终究:这些表面预测可以刺激观察到新的范畴,并测试我们认为我们所晓得的极限。“这便是科学真正的通通,”他增补道,“做出预测,提出测试方法,举行实行,然后限制/扫除表面!”

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