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满宇宙存在的暗物质到底有多冷?

2017-08-16  商山书院1...

    暗物质占据了宇宙物质的主导。虽然它几乎不受弱相互作用的影响也不和电磁力发生互相作用,但是通过对普通重子物质的引力作用还是能推测出它的存在。 100年前,人们猜测低质量恒星就是暗物质,然而在过去的70年里发现了暗物质的非重子成分,并且这一成分在宏观尺度上占据了主导。由于非重子暗物质也是 物质,因此粒子物理标准模型的后继者也必须要能描述这些物质。在微观尺度上,标准模型遇到的问题也许需要引入新的粒子才能解决,其中一些就是暗物质的主要 成分。因此除了在天文学尺度上利用引力作用间接探测之外,在地球上也正在使用大型强子对撞机(LHC)或者其他实验来加紧直接探测暗物质。



    天文尺度上的探测能区分不同种类的暗物质吗?天文尺度暗物质探测的未来会朝哪个方向发展?答案就在由暗物质主导的宇宙结构形成里。解开星系以及小尺度结构形成之谜将为我们揭示出暗物质的属性,反之亦然。

    正如我们在宇宙诞生之后30万年的微波背景辐射中所看到的极其微小的涨落,宇宙早期是非常均匀的。在暗物质自引力的作用下,宇宙结构开始形成。高速运 动(“热”且相对论性)的暗物质和低速运动(“冷”)的暗物质比起来更难成团,因此它们成团的尺度有所不同并且可以区分。结构形成的数值模拟完美地再现了 今天我们所观测到宇宙大尺度结构,这其中要求绝大部分的物质是“冷”的,并且允许中微子拥有质量。由此所得到的一般结论是,暗物质可以包含一些“热”的成 分——有质量的中微子、引力波、辐射等,但是暗物质的主导是一种新的物质。在星系形成的小尺度上,数值模拟无法预言它们的性质,甚至得到结构都与我们的观 测不符。这些地方可能暗藏着新的物理学。解开非重子物质对重子物质的天体物理效应是目前的一大挑战。

[图片说明]:全天天体物理天体测量干涉仪(Gaia)构想图。版权:ESA。


    通过量化包括银河系以及近邻星系在内的本星系群的结构和演化,可以非常好地研究小尺度上的暗物质作用。得益于大面积的巡天,在银河系中和周围发现了许 多新的矮星系。这些星系是宇宙形成之后10亿年内形成第一个引力束缚系统时残存下来的,其中暗物质占据了主导。观测到的大型星系的卫星星系的数量和预言的 相差好几倍。更有趣的是,它们的亮度结构都具有意料之外的大小为300光年的最小尺度。初步的动力学分析认为,这一尺度限制是由于暗物质的成团特性所造成 的,体现了暗物质的物理属性。尽管已经有很多尝试来定量描述这其中的动力学过程以及由此造成的小星系物质分布,但是从天体物理学的角度来解开粒子物理之谜 并非易事。



    本星系群中的绝大多数暗物质都位于本星系群中的银河系、仙女星系和其他星系中。对本星系群进行细致的质量测定并且对它的演化进行量化是对星系形成理论 的重要检验。由于发现了新的证据,在过去的几年中星系形成理论一直在不断完善,这一过程还将继续。测定这些星系的质量、演化以及确定暗物质的分布对于定量 研究暗物质在星系形成和演化中的作用是至关重要的一步。

    全天天体物理天体测量干涉仪(Gaia)将在这其中扮演重要的角色。Gaia是欧洲空间局的天体测量卫星,它将能测量亮于20等的10 亿颗恒星的绝对距离和自行。Gaia利用地球绕太阳转动而形成的不同视角所产生的三角视差来测量天体的绝对距离。Gaia的测量精度比目前的最高精度要高 3个数量级,而它的灵敏度则要高4个数量级。它的主要任务之一就是研究星系演化,这其中包括了测量在所有尺度上暗物质的分布。天体物理学中暗物质研究的难 点是精确测量它的质量。通常所能采用的只有视向速度和少量横向速度资料,因此模型中只使用了部分信息。Gaia将能精确地测定天体的横向运动,因此可以完 整地给出大量天体在6维相空间中的位置和速度,这对于精确计算星系的质量和确定它的轨道极为重要。


    暗物质是宇宙中物质的主导。它可能有几种不同的成分组成,从微观弱相互作用大质量粒子到大尺度的大质量中微子,在不同的尺度上它们的贡献也各有不同。 要弄清楚暗物质的组成就需要定量的确定它们的三维质量分布——无论是在天体物理尺度的系统中还是地球上的实验室里。自从被引力束缚在暗物质晕里之后,星系 已经演化了130多亿年。定量描述其中的天体物理过程已经显得日趋重要。尽管这是一项艰巨的挑战,但是有了LHC和Gaia相助未来一定会取得实质性的进展。

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