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模拟与观测的10倍差距,带来暗物质的新问题

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发表于 2020-10-17 22:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
模拟与观测的10倍差距,带来暗物质的新问题

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据科学家的计算,可观测宇宙的直径大约为930亿光年,其中包含了至少两万亿个星系。我们地球所处的银河系有上千亿个恒星,大部分恒星可能都有各自的行星系统,恒星之间还有大量的气体和尘埃。
但是,看似如此庞大的数量对整个宇宙而言不过是很小的一部分。最新计算表明,物质约占宇宙总质量和能量的31%。我们可见的这些构成行星、恒星、星系的常规物质又仅仅占到了总物质的20%,而剩下的80%是未知的、无法看见的暗物质

                               
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最新计算表明,物质约占宇宙的总质量和能量的31%,暗能量约占69%。常规物质占据物质的20%,其余的80%是未知的暗物质。| 图片来源:Mohamed Abdullah, UC Riverside

在我们“已知”的宇宙中,所有星系以及其中的恒星和行星等物质都由重子构成。重子是一种由三个夸克构成的复合粒子,质子中子就是我们最熟悉的重子。暗物质则不同,它并不是由重子构成的,一些研究推测,它很可能是由粒子物理标准模型之外的新粒子构成。


                               
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粒子物理标准模型。一些研究推测,暗物质很可能由标准模型之外的新粒子构成。


上世纪70年代,美国天文学家薇拉·鲁宾(Vera Rubin)观测研究大量星系自转曲线,发现星系外围的旋转速度远超过预期。她由此推断,存在大量看不见的物质在为星系提供质量,才能维持它们如此高速的旋转。这一发现成了暗物质存在的重要线索,也是暗物质这一研究领域的里程碑之一。

在先前的研究基础之上,宇宙学标准模型(ΛCDM)提出,宇宙中存在大量冷暗物质,这种物质的运动速度等同于经典速度下运动的物质。由于运动速度较低,冷暗物质可以形成包裹着星系的巨大团块,这些团块被称为暗物质晕


                               
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暗物质晕示意图。| 来源:Wayne Ngan/Frontiers for Young Minds

除了冷暗物质,还有其他暗物质模型提出了温暗物质热暗物质的假想概念。这里的“冷”和“热”并非真的在说温度,而是指粒子本身的大小相对于原星系的大小。而粒子的大小决定了运动的快慢,也决定了其热力学性质,比如热暗物质的速度接近光速。

但这些都只是科学家对暗物质做出的假设。由于暗物质不参与电磁相互作用,也就是说它不会发射、吸收或反射光,所以也就无法通过电磁波进行观测和研究。因此,它一直是宇宙中最神秘的未解之谜之一。


                               
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在现代天文学研究中,科学家们会利用引力透镜对暗物质进行探测。

根据爱因斯坦的广义相对论,质量会使空间弯曲,从空间中经过的光便也会发生偏折。假如我们需要观测一个十分遥远的星系,但由于望远镜的能力有限,可能很难完成。但如果存在一个质量很大的星系团,正好位于地球和遥远星系之间,这一星系团的巨大质量会使空间弯曲,光线就会像经过一个凸透镜一样发生偏折。于是,从地球上进行观测时,遥远星系看上去就会比它的实际大小更大,也更便于观测研究。

当星系团的质量极大时,会形成强引力透镜,这种效应不仅可以放大遥远的星系,甚至可以让我们观测到多个像、一段弧或是一个圆环。


                               
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引力透镜示意图。| 来源:NASA, ESA and D. Player (STScI)

简单来说,当利用引力透镜效应探测暗物质时,观测者可以通过望远镜的成像推导出遥远星系的光线被弯曲的程度,从而计算出作为引力透镜的巨大星系团的质量,然后将计算出的星系团质量和实际可见物质的质量进行比较,找出两者之间的差异。这种质量上的差异可以归结于包裹着星系团的暗物质晕。由此,科学家便能推测暗物质的存在,并计算出暗物质的质量。

在Science上刊登的一项新研究中,意大利博洛尼亚天体物理与空间科学天文台的Massimo Meneghetti等天文学家,有了关于引力透镜和暗物质的新发现。研究人员认为,聚集在星系团内部区域的暗物质可以导致嵌在整个大型引力透镜中的小型引力透镜效应。当这些小型引力透镜足够多且足够密集的时候,就可能导致更强的引力透镜效果,这一现象被称为星系-星系强引力透镜(Galaxy-Galaxy Strong Lensing,GGSL)。


                               
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GGSL示意图,图为哈勃望远镜拍摄的大型引力透镜,其中(B),(C),(D)为3个嵌入的小型引力透镜。| 图片来源:[1]

基于ΛCDM的计算机模拟表明,GGLS现象应当比较少见,平均每10个星系团中才有一个星系团出现GGLS现象。然而,研究人员在分析了哈勃望远镜和智利甚大望远镜的观测数据后发现,在11个星系团中竟出现了13例GGSL现象,也就是说,观测结果与计算机模拟结果相差了10倍多。这似乎暗示着,实际星系团中高密度暗物质团块要远多于计算机模拟的结果。


                               
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橙色曲线表示模拟结果,其他曲线表示观测结果,模拟结果和观测结果相差不止一个数量级。| 图片来源:[1](图片有简略)

随后,研究人员又进行了一些测试来研究这一偏差的来源。在原先的模拟中存在一项能量反馈,这一反馈可以抑制星系团内部恒星的产生,降低星系团内部暗物质的密度,从而使引力透镜效果变弱。在其中一项测试中,研究人员在进行模拟时取消了一项能量反馈,但依然无法消除模拟与观测结果之间的鸿沟。

观测与模拟结果之间的不符有两种解释。一种是,计算机在进行模拟时所使用的方法仍有缺陷,模拟的精准度有限;而另一种则是,目前现代天文学对暗物质本身的性质所做出的假设(比如暗物质和常规物质只能发生引力作用这一性质)可能是错误的


                               
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伦敦大学学院的宇宙学家Richard Ellis并未参与这项研究,他认为问题的根源更有可能在于计算机模拟,而不是暗物质本身。“星系团是非常危险的地方,无数星系彼此掠过,互相碰撞并被撕裂。模拟其中有多少个强引力透镜是难度非常大的一件事。”

宾夕法尼亚大学的天体物理学家Bhuvnesh Jain同样未参与研究。他认为,可以通过欧几里德空间望远镜、罗曼太空望远镜和鲁宾天文台收集更多数据,并进行后续的研究,或许更有可能帮助判断出究竟是模拟方法出了错,还是目前我们对暗物质的了解还不准确了。



参考来源:
[1] M. Meneghetti etal. An excess ofsmall-scale gravitational lenses observed in galaxy c.lusters. Science. Vol. 369, September 11, 2020, p. 1347. doi: 10.1126/science.aax5164.
[3] Cowen, R. Tracing theArchitecture of Dark Matter. Science News. 1996, 149 (6):87–87. JSTOR 3979991. doi:10.2307/3979991.
[4] Silk, Joseph. The BigBang 1989. San Francisco: Freeman. 1980. chapter ix, page 182. ISBN 0716710854.




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