暗物质毕竟非引力的相互作用？
2024-10-02 16:00阅读：
暗物质毕竟非引力的相互作用？
理论上暗物质是冷的、无碰撞的仅经由引力相互作用。我们在超漫射星系中看到的指示另外的。
STARTS
WITH A BANG — OCTOBER 1, 2024
Ethan
Siegel
这张哈勃的大质量星系团MACS
J1206的图像显示由前景星系团的引力光弯曲造成的弧形和模糊出去的特征。基于透镜数据以蓝色代表的小尺度暗物质浓度已经被重建。将这种透镜信息与团内光信息结合是暗物质的另一种独立示踪剂，能以前所未有的方式揭示它的存在和分布。通过这样的分析，我们发现所有的暗物质晕都由一组丰富的暗物质子结构组成。Credit: NASA, ESA, G. Caminha (University of
Groningen), M. Meneghetti (Observatory of Astrophysics and Space
Science of Bologna), P
. Natarajan (Yale University), the CLASH team, and M. Kornmesser
(ESA/Hubble)
关键要点
•为解释在广义相对论内仅靠正常物质的存在不能解释的引力效应，暗物质的存在是主要的科学假设。
•已经知道是冷的、无碰撞的并且除引力以外与要么它自己、光要么正常物质的任何力不相互作用，它解释大量的宇宙学观测并解决了许多难题。
•然而某些类别的低质量星系，特别是超扩散星系展示与“标准”暗物质预测的截然不同的行为。这是一个非引力的证据吗？
整个宇宙中最大的宇宙谜题之一是暗物质。如果我们许可那个我们知道：
•物理定律（标准模型加广义相对论），
•我们宇宙的起源（被一个宇宙膨胀相前提的热大爆炸），
•以及我们宇宙的内容（由标准模型粒子包含的物质量），
我们的宇宙图片不能加起来。从星系如何旋转到它们如何在星系团内移动到引力透镜轮廓到宇宙的总质量/能量到宇宙如何随着时间膨胀到大爆炸遗留的辉光和宇宙尺度上的大尺度星系团，一个它之内仅标准模型粒子的宇宙不能来匹配观测结果。相反，两种额外的成分——暗物质和暗能量——被通常添加来完成这张图片，然后一切都落回与观察到的的线中。
只要顾及到暗物质对许多人这添加不安的。尽管来自标准模型粒子（包括原子成分、光子、中微子等）在宇宙中的累积的能量仅构成宇宙总能量预算的5%左右，但暗物质一定占27%左右：以大约5比1的比例量过正常物质。如果我们假设暗物质是冷的、无碰撞的并且只通过引力相互作用，它能几乎再现所有从来收集到的观测结果。然而星系的一个子群体——超扩散矮星系——蔑视传统的范式站着。它们是否正如一些人所断言的那样表明标准的无碰撞冷暗物质图像不再起作用？这是一个有争议的这样看，因此让我们深入这个谜题背后的科学。
![Astronomical image showing a galaxy cluster with multiple bright glowing sources and smaller points against a deep blue and purple space background.]( "暗物质毕竟非引力的相互作用？")
SIBELIUS项目仿真本地宇宙以外的星系和结构，是试图来用宇宙学仿真来再现跨整个宇宙可见的星系、星系群和星系团的特征的处女座联盟的部分。通过用一个理论、观测和仿真的混合天体物理学家能更好地理解我们宇宙中的暗物质性质。Credit:
Virgo Consortium/SIBELIUS project
很容易观察我们的宇宙的标准图片，发现你自己不满意于我们目前关于事物如何运作的观点。我们关于我们宇宙中已知的粒子和力有超常量的了解：标准模型中的一切（夸克、轻子和玻色子），它代表我们所知存在的所有正常物质、辐射、中微子和反中微子以及已知被标准模型规制的引力（广义相对论）和三种量子力（弱核、强核和电磁力）。
然而如果我们假设“这些是唯一存在的力”，我们不仅有许多要面对的一系列未解决的问题，而且我们必须注意到宇宙中只有约5%的总能量被目前已知的描述的事实。
当然对宇宙添加另一种成分是一个巨大的飞跃——这种成分的存在从未被直接探测到，但对它仅证据间接的发生——更不用说两种更多的成分，但这正是我们必须面对的暗物质和暗能量的场景。我们的“共识宇宙学”包括这两种成分而不是纳入要么新的力要么一个对现有力的修改，理由是一整套观测（几乎所有观测）能被添加暗物质和暗能量解释，而修改力或添加新的力仍然需要我们添加新的物质成分（如暗物质）以及带宇宙学进入平衡。
![暗物质毕竟非引力的相互作用？]( "暗物质毕竟非引力的相互作用？")
两个碰撞星系团的仿真，以不同颜色展示正常物质和暗物质。来自2007年的左侧仿真暗示巨大的碰撞速度。来自2024年（右图）的一个更现代的仿真显示大约一半的速度，同时再现观察到的相同的冲击签名。两者都显示一个总质量和正常物质之间的清楚的隔开，与观测结果一致。Credits:
NASA/CXC/M.Weiss (L), W.M. Keck Observatory/Adam Makarenko
(R)
在大的宇宙尺度上，暗物质的证据——尽管是间接的——是绝对压倒性的
•在宇宙微波背景波中的波动模式表明在宇宙中一种额外的物质成分，它不会像正常物质做的那样与辐射碰撞，并且“额外物质”以大约是正常物质五倍的丰度存在。
•星系的大尺度聚集表明对这个宇宙有一个“声学尺度”，在这个尺度上成对的星系更有可能被在彼此相距5亿光年发现，而不是4亿或6亿光年远，并且这个尺度（声学尺度）随宇宙膨胀演变：一个表明存在暗物质和正常物质的存在的特征，也表明了相同的5比1比率。
•强透镜系统的观测其中单个星系和星系团都是引力透镜表明不仅围绕这些天体发现了巨大而弥漫的暗物质晕，而且它们内部有“块状”子结构，正如被暗物质仿真预测的那样。
•也许最壮观的是相互碰撞的星系团被见证让它们的引力信号与大多数正常物质的签名“分开”：发射X射线气体。
这最后一次观测首次于2005年做出（在暗物质范式已经被建立很久之后），往往被誉为暗物质存在的经验证明，因为没有无暗物质的理论能以令人信服的方式解释这些观测结果。.
![spiral galaxy comparison dark matter]( "暗物质毕竟非引力的相互作用？")
一个仅被正常物质规制的星系（左）会在周边显示比中心低得多的旋转速度，类似于太阳系中行星如何移动。然而，观测表明旋转速度大体上独立于星系中心的半径（右），导致推断一定存在大量不可见的或暗物质。这些类型的观测是革命性的，帮助天文学家了解在宇宙中暗物质的必要性，并也解释位于星系螺旋臂内物质的形状和行为。Credit: Ingo Berg/Wikimedia Commons;
Acknowledgement: E. Siegel
然而，仍有单个星系的问题。如果我们假设暗物质真的冷的没有碰撞的，并且永远不会以任何方式（除了引力）与正常物质、辐射或任何标准模型粒子相互作用，那么仿真表明暗物质应该遵循我们叫一个宇宙轮廓的。在一个宇宙轮廓中，在引力的影响下，暗物质粒子将以晕一样结构来分布它们自己，密度为：
•随你向内走向中心上升，
•然后“转过”以一个更低的速度上升，
•这会在密度中做出一个“尖点”，这在中心本身达到峰值。
追溯回到1995年当纳瓦罗（Julio
Navarro）、福伦克（Carlos
Frenck）和怀特（Simon
White）计算了它时最初是暗物质的仿真的一个产物，这预测了“宇宙轮廓”帮助解释为什么大型螺旋星系和椭圆星系有平坦的旋转曲线但往往不能巨详细预测单个星系的特别行为。尽管广的范围是正确的，但由于暗物质没有有在大多数星系中心看到的“尖点”，推断的密度分布与暗物质的宇宙轮廓预测的不匹配。
![暗物质毕竟非引力的相互作用？]( "暗物质毕竟非引力的相互作用？")
来自仿真的四种不同的暗物质密度分布，以及一个（建模的）等温轮廓分布（红色），它与观测结果更匹配但仿真不能再现。请注意，这些暗物质轮廓在不同的宇宙尺度上有相同的斜率但不同的翻转半径，并且不包括气体和恒星的影响，它们的角色（可能不公平地）已经被忽视了。Credit:
R. Lehoucq et al., A&A, 2009
此外，宇宙轮廓的预测特别对低质量星系是异乎寻常的贫瘠。它已经导致许多人来考虑暗物质的一个替代方案例如修改引力定律，因为与暗物质的预测相比这些修改往往来更好地预测单个星系的属性。当然，这些修改不对更大尺度的现象起作用，也需要某些其他东西来解释这些观测结果，比如暗物质或一个与它行为无法区分的场。
尽管我们已经从未直接的接探测到暗物质也可能永远不会如此做，但依靠它的属性和性质事实是没有修改后的引力理论能解释所有的观测结果不用要么包括某种类型和数量的暗物质或者某些其他与暗物质行为无法区分的东西（如一个聚集的场）。
这就是为什么来观察那些与我们标准的“宇宙轮廓”暗物质预测偏差最多的系统——低质量星系特别是超扩散低质量星系——是如此有趣的。如果暗物质不是任何非真正的冷和无碰撞的东西，我们应该能够从一个观测的角度来探测这个，并找出数据指向什么远至暗物质可能多不是冷和无碰撞的。在物理学中除非我们别无选择我们绝对的不喜欢来引用某些新颖的东西，对于这些超漫射矮星系，有很多要来解开的。
![暗物质毕竟非引力的相互作用？]( "暗物质毕竟非引力的相互作用？")
许多附近的星系包括本地星系团的所有星系（大多聚集在最左侧），显示它们的质量和速度色散之间的一个关系，这表明暗物质的存在。NGC
1052-DF2是第一个已知出现仅由正常物质组成的星系，后来在2019年被DF4加入。然而，像Segue
1和Segue
3这样的星系是特别富含暗物质的，有宽广的多种属性，无暗物质星系仅被贫瘠了解。Credit: S. Danieli et al., ApJL,
2019
我们看到的是对超过一定质量的星系，暗物质对正常物质的比率就像从单个星系内气体和恒星的内部运动观测推断的那样仍然在相同的五比一上，这不仅是宇宙中大尺度特征的标志，而且被理论化为存在在所有最大的宇宙尺度上。然而，随我们走到越来越小的尺度，即随我们开始观察质量更低的星系我们看到这种趋势不再持续。质量低于约1亿个太阳质量（例如仅为我们银河系质量的0.01%左右），我们开始看到偏差：在那里星系质量越低，暗物质对正常物质的比例就越大。
对于数千万个太阳质量的星系，我们看到一个更像是十比一甚至几十比一的比例。对质量甚至更低的星系，这个比例能是更像一个百比一。最极端的例子包括Segue
1和Segue
3这样的星系，它们内部只有大约1000颗恒星（恒星总质量只有几百个太阳质量），但这些恒星在内部以表明星系总质量为几十万个太阳质量的速度加速。在最低质量下，似乎密度增强是最为严重的，但这可能不是由于暗物质不是某些非无碰撞的东西；另一种解释更为适合。
![cigar galaxy messier 82]( "暗物质毕竟非引力的相互作用？")
这张雪茄星系梅西耶82的特写照片不仅显示恒星和气体，还显示了过热的星系风及由它的与更大、质量更大的邻居M81相互作用引起的膨胀形状。（M81位于屏幕外的右上角）。当恒星形成跨整个星系主动发生时，它就变成了所谓的一个星爆星系，被猛烈的驱逐气体的风特征。风驱动的星爆星系质量越低，在这样的事件期间损失的正常物质就越多。Credit: R. Gendler, R. Croman, R. Colombari;
Acknowledgement: R. Jay GaBany; VLA Data: E. de Block
(ASTRON)
这是因为恒星形成本身的行为是一个剧烈的过程。当气体云坍塌来引发一个恒星形成场景时，它们确实不均匀地碎裂成许多不同的物质团块，并在不同的时间在这些原恒星核中引发核聚变。在一个像银河系这样的大星系中，在两个相互竞争的因素之间有一个宇宙竞赛在进行：
•引力起来形成和生长这些团块并导致新恒星的出现的作用，
•以及来自新生恒星本身的辐射和风，这些辐射和风将所有气态物质推出并将它从新形成的恒星和原恒星系统剥掉。
一旦最重、质量最大的新生恒星开始在核坍塌超新星等灾难中垂死，它诅咒气态物质的结束游戏，在短时间内随着恒星形成物质变得耗尽，恒星形成完全的停止。
但在低质量星系中，情况远更可怕：被风和辐射推出的物质能被“踢”到足够大的速度，它们能完全逃离约束它们的低星系质量。如果效率足够高，这能甩出所有非恒星物质，导致一个星系的无气体状态：通过驱逐正常物质提高暗物质与正常物质的比率。然后，一旦寿命最短、质量最高的恒星死亡，只有寿命较长、质量较低的恒星仍然在一个暗物质和（不可见的）恒星残骸的星系海洋中。换句话说，为什么在低质量星系中暗物质对正常物质之比被增强的主要理论没有提供至于暗物质本身性质的任何洞察。
![暗物质毕竟非引力的相互作用？]( "暗物质毕竟非引力的相互作用？")
从六个超微弱矮星系（蓝色）的观测推断的暗物质粒子的仿真分布服从一个宇宙轮廓（橙色）对暗物质的分布（或总质量）。请注意，所观察到的与这种天真的理论预测不一致。Credit:
Gabriel Pérez (IAC)
但这并不是对暗物质摆出困难有
“极端”星系的唯一问题。一个新的挑战以超扩散星系的形式来到：正常物质不是以在一个星系的中心区域恒星的形式集中，而是恒星被在整个星系中更均匀的分布——包括在距离星系中心很远的地方——尽管一个相对较低的整体质量。当我们观察这类星系即超扩散星系时我们发现适合暗物质的“宇宙轮廓”比以往任何时候都更糟糕。它不仅不能在推断的暗物质密度轮廓中来显示
“尖点”证据，而是指向暗物质的中心密度是漫射的并接近一个恒定值的场景。
应该指出的是这一点很重要，因为这一特征靠它自己是与暗物质粒子的仿真不兼容的。在桑切兹（Jorge
Sánchez
Almeida）、特鲁基罗（Ignacio
Trujillo）和普拉斯提诺（Angel
R.Plastino）撰写的一篇新论文中，他们表明六个超微弱矮星系也是超漫射的，在它们内部只有值几千个太阳质量的恒星，所有这些星系都显示与一个有平坦的中心密度轮廓一致的特征，与被暗物质仿真预测的有一个尖点的密度分布不一致。他们断言这意味着要么暗物质不是无碰撞的，要么冷暗物质范式毕竟不起作用，并指出：
“这样证据提示在DM粒子或CDM的其他替代品中的碰撞可能正在形成这些星系”
。
![暗物质毕竟非引力的相互作用？]( "暗物质毕竟非引力的相互作用？")
这些六个不同超微弱矮星系的观测表明，恒星分布如何追踪一个中心平坦的质量密度分布的，而不是像暗物质仿真预测的尖点那样。这一观测事实不能被否认，但这些观测结果应如何被解释并没有被普遍认同。Credit:
J.S. Almeida, I. Trujillo, and A.R. Plastino, Astrophysicaly
Journal Letters, 2024
至关重要的是要认识到，没有人正在怀疑这些观察到的事实。这些星系中的恒星——真的在许多其他低恒星质量的星系中——正在追踪出总物质的引力分布：我们能仅给予我们观察到的恒星运动，了解内部累积质量（暗物质和正常物质的总和）多随距离星系中心分布的。然而，作者很快得出了一个可能不正确的结论。按照阿尔梅达：
“用一种仅基于恒星分布的新技术，我们已经能够拒绝有高统计意义的无碰撞冷暗物质模型……因此，这项工作为探索更复杂的暗物质模型提供一个坚实的观测基础。”
他的合作伙伴特鲁基罗接着补充道：
“这项研究最引人入胜的一个方面是所有被研究的星系都有一个相同的恒星分布。似乎星系已经忘记了它们自己的历史。只有当暗物质已经抹去了这些星系的过去这能被很好理解，这表明它的亲密性质比我们想的远更复杂”
。
重要的是要认识到这是一种可能的解释：暗物质并没有以一种冷的、无碰撞的物质相互作用的方式相互作用。例如，来考虑暗物质确实展示自我相互作用的场景是合理的，这可以解释为什么这些超扩散星系中的恒星正在追踪出与仿真预测的截然不同的东西。
![An image of a dark black hole in space.]( "暗物质毕竟非引力的相互作用？")
这个绰号奴布（Nube）的“几乎黑暗”的星系是一个在一群许多其他星系群中发现的令人难以置信的弥漫星系。人们认为这个超扩散星系在大量的中性氢中只有一个小量恒星它的属性是由环境因素造成的。有如此多的氢和如此少的恒星，它代表传统已知星系中一个迷人的异类。自最近一次主要恒星形成事件以来，它的过去的恒星形成历史在数十亿年的时间里已经基本上被抹去了。Credit: M. Montes et al., A&A accepted,
2023
但也有另一种选择：一种可能不需要暗物质是任何东西任何意外的的。这些导致暗物质晕“宇宙轮廓”的仿真传统上忽略气体和恒星的影响，只有这些星系总质量的六分之一（或更少），正常物质是容易来小看的。然而，气体和恒星即这些星系中的正常物质能从纯粹的引力效应“加热”甚至冷的、无碰撞的暗物质，特别是在星系中心。正如暗物质研究员贾斯汀·里德（Justin
Read）曾经向我相关这个非常话题一样，
“…辐射压力、恒星风和超新星推动气体（经由通常的电磁相互作用），然后暗物质响应改变的中心引力势”
。
这被预计将在昏暗的、低质量和弥漫的矮星系中发挥巨大的角色，甚至在像特鲁基罗正确观察到的案例中，这些星系内的恒星已经“忘记”了它们自己的历史。
理想的，我们会喜欢来仿真端到端一个星系内正常物质和暗物质如何相互作用。我们会喜欢有一个全面的这些星系内的恒星形成历史，并有能力来建模和仿真正常物质随时间如何变化的分布，包括从：
•正常物质的引力坍塌，
•恒星形成事件，
•来自辐射和风的反馈，
•以及由于恒星灾难和其他恒星过程的气体的最终甩射，
影响我们的整个138亿年宇宙历史上暗物质的分布。唉，我们的仿真仍然被计算能力限制，不能探测包含所有这些效应的全套必要尺度，我们只能做依赖模型的估计。
有可能也许（对一些人）由证据提示的暗物质可能真的是碰撞的或者可能以某种时尚非纯粹的引力上相互作用。但用这样一个如此许多我们能理论上预测对我们能走出去并直接的观察之间步骤的脱节，从这些超扩散系统得出一个对是否冷、无碰撞暗物质的标准范式处在任何危险中的结论毕竟还为时过早。
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/dark-matter-interact-non-gravitationally/
