也许暗物质是温暖的 而不是冷的

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自20世纪300年代“ 广义相对论的黄金时代 ”以来,科学家们认为宇宙的大要素后要 由三种被称为“ 暗物质 ” 的神秘无形物质组成。从那时候,科学家们试图用双管齐下的法子来解决你三种谜团。一方面,天体物理学家试图寻找可不并能解释你三种质量的候选粒子。

本人面,天体物理学家试图找到可不并能解释暗物质行为的理论基础。到目前为止,争论集中在它是“热”还是“冷”的问题报告 上,不可能 其相对简单,冷的观点比较占优势。然而,由哈佛 - 史密森尼天体物理中心(CfA)领导的一项新研究revits Dark Matter不可能 实际上是“温暖”的想法。

这是基于宇宙模型的宇宙学模拟,使用带有温暖暗物质的宇宙模型。模拟由CfA,麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所,莱布尼茨波茨坦天体物理研究所和多所大学的国际研究团队进行。该研究最近出显在皇家天文研究会月刊中

科学家对LCDM宇宙学模型的表示

当它出显时,Dark Matter被恰当地命名。对于初学者来说,它占宇宙质量的大慨84%否则既不发射,就说 吸收或反射光或任何许多已知形式的辐射。其次,它这麼电磁荷,除了通过引力之外不与许多物质相互作用,这是三种基本力中最弱的。

第三,它后要 由原子或它们通常的构件(即电子,质子和化子)组成,这利于它的神秘性。否则,科学家们推测它时要由许多符合宇宙定律的新物质组成,但在传统的粒子物理研究中并这麼出显。

无论其真实本质如何,自从大爆炸事件处在大慨10亿年以来,暗物质对宇宙的演化产生了深远的影响。事实上,我们认为它在从星系的形成到宇宙微波背景(CMB)辐射分布的各个方面发挥了关键作用。

大慨十亿年前一一三个小星系形成的模拟图

更重要的是,考虑到暗物质所起作用的宇宙学模型得到了对这三种截然不同的宇宙特性的观察的支持。否则,它们与宇宙参数一致,如宇宙膨胀的下行速率 ,它三种受到神秘的,不可见的力(称为“ 暗能量 ”)的影响。

目前,最广泛接受的暗物质模型假设它无需与重力影响之外的任何许多物质或辐射(包括其自身)相互作用 - 即它是“冷”的。这就说 所谓的冷暗物质(CDM)场景,它通常与LCDM宇宙学模型形式的暗能量理论(由Lambda表示)相结合。

正如CfA的天文学家和研究的主要作者Sownak Bose博士通过电子邮件向今日宇宙解释:

“[CDM]是经过最佳测试和首选的模型。这主就说 不可能 在过去四十年左右的时间里,我们老是在努力使用冷暗物质作为标准范例进行预测 - 否则将哪几个范式与实际数据进行比较 - 发现一般来说,你三种模型并能在各种尺度上重现各种观察到的问题报告 。“

正如他所描述的那样,在宇宙演化的数值模拟使用“热暗物质”(在你三种具体情况下是中微子)进行数字模拟时候,冷暗物质场景成为了领跑者。哪几个亚原子粒子非常相似于电子,但这麼电荷。它们也很轻,以近乎光速的下行速率 穿过宇宙(换句话说,它们在运动学上很“热”)。

哪几个模拟表明,预测的分布看起来与今天的宇宙无关,“Bose补充道。“出于你三种是因为,时候开始考虑相反的限制,当它们出生时几乎这麼任何下行速率 的粒子(又称”冷“)。带有该候选折 的模拟更符合现代宇宙观测。

“在进行了与时候相同的星系聚类测试时候,天文学家发现了模拟广告观测到的宇宙之间的惊人一致性。在如果 的几十年中,冷颗粒通过比简单的星系聚类更严格,非平凡的测试进行了测试,否则它通常以漂亮的颜色通过哪几个测试。

那我吸引力的来源是,冷暗物质(大慨在理论上)应该是直接或间接可检测的。然而,这是CDM遇到麻烦的地方,不可能 到目前为止所有检测单个粒子的尝试都失败了。否则,宇宙学家不可能 考虑考虑许多不可能 与许多物质具有更小水平相互作用的候选折 。

这就说 CfA的天文学家Sownak Bose试图与他的研究团队决定。为了我们的学习,我们专注于一一一三个小“温暖的”暗物质候选人。该理论粒子具有与接近光速移动的非常轻的粒子巧妙地相互作用的能力。

有点硬是,它可不并能与中微子相互作用,中微子是HDM场景的前者。我们认为中微子在炎热的早期宇宙中非常普遍,否则“温暖的”暗物质的处在会产生强烈的影响。

“在相似模型中,暗物质粒子可不并能与光子或中微子等辐射物质进行有限(但弱)相互作用,”Bose博士说。“你三种耦合在早期的宇宙'凹凸'中留下了一一一三个小相当独特的印记,这与暗物质是一一一三个小冷粒子时的预期有很大的不同。”

美国宇航局哈勃太空望远镜拍摄的漩涡星系的可见光(左)和红外图像(右)

为了测试你三种点,该团队在哈佛大学和冰岛大学的超级计算设施中进行了最先进的宇宙学模拟。哪几个模拟考虑了大爆炸后大慨10亿到大慨140亿年(大慨现在),温暖和暗物质的处在将如何影响星系的形成。Bose博士说:

“[W]进行了计算机模拟,以生成你三种宇宙在经过14亿年的演变后不可能 会是哪几个样子的实现。除了对暗物质成分建模外,我们还包括最先进的恒星形成处方,超新星和黑洞的影响,金属的形成。“

否则,团队将结果相互比较,以选折 可不并能区分彼此的特性签名。我们发现,对于许多模拟来说,你三种温暖的暗物质的影响太小而不明显。然而,它们以许多不同的法子处在,有点硬是在遥远的星系分布在整个太空中的法子。

你三种观察结果有点硬有趣,不可能 它可不并能在未来使用下一代仪器进行测试。“那我做的法子是通过观察液体的分布来早期绘制宇宙的凹凸,”Bose博士解释说。“从观测的宽度来看,这是一项心智性心智性性成熟的句子的句子是什么期的技术:我们可不并能通过观察遥远星系(通常是类星体)的光谱探测早期宇宙中的中性氢。”

计算机模拟宇宙中物质的分布。橙色地区拥有星系; 蓝绿色特性是液体和暗物质

简而言之,从遥远的星系向我们传播的光时要通过星系间介质。不可能 在介入介质中处在几瓶中性氢,则来自星系的发射线将被要素吸收,而不可能 几乎这麼,则它们将不受阻碍。不可能 暗物质真的很冷,它将以液体的“更大”分布的形式出显,而WDM场景将是因为振荡的块状物。

目前,天文仪器这麼必要的分辨率来测量早期宇宙中的液体振荡。但正如博斯博士指出的那样,这项研究可不并能为新实验和并能进行哪几个观察的新设施提供动力。

相似,像詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)那我的红外仪器可用于创建新的液体吸收分布图。哪几个地图既可不并能确认温暖暗物质的影响,也可不并能将其作为候选折 进行排除。我们还希望这项研究并能激发我们对不可能 考虑过的候选人的思考。

最后,正如博森博士所说,真正的价值来自那我一一一三个小事实:哪几个理论预测可不并能刺激观察到新的领域,并测试我们认为我们所知道的极限。“这就说 科学真正的完整性,”他补充道,“做出预测,提出测试法子,进行实验,否则限制/排解决论!”