最早的星系可能比以前认为的更小更亮颠覆暗物质理论

最早的星系可能比以前认为的更小更亮颠覆暗物质理论在过去的一年半里，詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）拍摄到了宇宙大爆炸后不久形成的遥远星系的惊人图像，让科学家们第一次看到了宇宙的雏形。现在，一组天体物理学家提高了要求：找到时间起点附近最微小、最明亮的星系，否则科学家们将不得不彻底重新思考他们关于暗物质的理论。由加州大学洛杉矶分校天体物理学家领导的研究小组进行了模拟，追踪了宇宙大爆炸后小星系的形成过程，并首次将以前被忽视的气体与暗物质之间的相互作用纳入其中。他们发现，在不考虑这些相互作用的典型模拟中，所形成的星系非常微小、明亮得多，而且形成速度更快，反而显示出更暗的星系。矮星系在宇宙研究中的重要性小星系，也叫矮星系，遍布整个宇宙，通常被认为是最早的星系类型。因此，研究宇宙起源的科学家对小星系特别感兴趣。但是，他们发现的小星系并不总是和他们认为应该发现的星系一致。那些最靠近银河系的星系旋转得更快，或者密度没有模拟的那么高，这表明模型可能遗漏了一些东西，比如这些气体-暗物质的相互作用。发表在《天体物理学杂志通讯》上的这项新研究通过加入暗物质与气体的相互作用改进了模拟，并发现这些暗星系在宇宙历史的早期可能比预期的要亮得多，当时它们刚刚开始形成。作者建议科学家利用韦伯望远镜等天文望远镜寻找比预期亮得多的小星系。如果他们只找到微弱的星系，那么他们关于暗物质的一些想法可能就是错误的。斯蒂芬五重奏（Stephan's Quintet）是由五个星系组成的视觉组合，由詹姆斯-韦伯太空望远镜提供的近千个独立图像文件合成。加州大学洛杉矶分校的天体物理学家认为，如果冷暗物质理论是正确的，韦伯望远镜应该能发现宇宙早期微小而明亮的星系。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI难以捉摸的暗物质本质暗物质是一种不与电磁或光相互作用的假想物质。因此，它无法用光学、电学或磁学进行观测。但暗物质确实与引力相互作用，人们从暗物质对普通物质构成所有可观测宇宙的物质的引力效应中推断出暗物质的存在。尽管宇宙中 84% 的物质被认为是由暗物质构成的，但它从未被直接探测到过。所有星系都被一圈巨大的暗物质光环所包围，科学家们认为暗物质对星系的形成至关重要。天体物理学家用来理解星系形成的"标准宇宙学模型"描述了宇宙早期的暗物质团块如何通过引力吸引普通物质，导致恒星的形成，并创造出我们今天看到的星系。由于大多数暗物质粒子（被称为冷暗物质）的运动速度被认为比光速慢得多，因此这一积累过程是逐渐发生的。了解星系形成的理论进展但是在130多亿年前，也就是第一批星系形成之前，由来自宇宙大爆炸的氢气和氦气组成的普通物质和暗物质在相对运动。气体以超音速流过移动速度较慢的暗物质的密集区，这些暗物质本应该把气体拉进来形成星系。"事实上，在不考虑流的模型中，这正是发生的情况，"加州大学洛杉矶分校博士生、论文第一作者克莱尔-威廉姆斯说。"气体被暗物质的引力吸引，形成密度大到可以发生氢聚变的团块和结块，从而形成像我们太阳这样的恒星。"但威廉姆斯和"超音速项目"团队的合著者（由加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授斯马达尔-纳奥兹领导的一组来自美国、意大利和日本的天体物理学家组成）发现，如果他们在模拟中加入暗物质和普通物质之间不同速度的流效应，气体就会落在远离暗物质的地方，无法立即形成恒星。数百万年后，当积累的气体落回星系时，恒星的形成就会同时爆发。由于这些星系在一段时间内比普通的小星系拥有更多年轻、炽热、发光的恒星，因此它们要亮得多。威廉姆斯说："虽然流星抑制了最小星系中恒星的形成，但它也促进了矮星系中恒星的形成，使它们比宇宙中没有流星的区域更加明亮。我们预测，韦伯望远镜将能够发现宇宙中因这种速度而变得更加明亮的星系区域。事实上，它们应该如此明亮，这可能会让望远镜更容易发现这些小星系，而这些星系通常在宇宙大爆炸后 3.75 亿年才极难被发现。"由于暗物质是无法直接研究的，因此在早期宇宙中寻找明亮的星系斑块可以为暗物质理论提供有效的检验，而这种检验迄今为止还没有结果。"在早期宇宙中发现成片的小而明亮的星系将证实我们的冷暗物质模型是正确的，因为只有两种物质之间的速度才能产生我们正在寻找的星系类型，"霍华德和阿斯特里德-普雷斯顿天体物理学教授诺兹说。"如果暗物质的行为不像标准的冷暗物质，不存在流效应，那么这些明亮的矮星系就不会被发现，我们就需要回到绘图板上去。"编译自:ScitechDaily ... PC版：手机版：

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天文学家揭示暗物质在星系演化中的作用星系图像，左侧为恒星部分，右侧（负片）为星系光环中的暗物质。资料来源：Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) / EAGLE 团队传统上对星系演化的观测研究主要集中在普通物质的作用上，尽管普通物质只占星系质量的很小一部分。几十年来，人们一直在理论上预测暗物质对星系演化的影响。然而，尽管做了很多努力，人们对此并没有达成明确的共识。现在，由IAC团队领导的研究首次通过观测证实了暗物质对星系演化的影响。暗物质对星系的影响显而易见，因为我们可以测量它，但暗物质对星系演化的影响是有人提出过的，尽管我们没有观测研究它的技术。为了研究暗物质的影响，研究小组集中研究了星系中恒星的质量与从其旋转中可以推断出的质量（称为总动力质量）之间的差异。研究结果表明，恒星的年龄、金属含量、形态、角动量和形成速度不仅取决于这些恒星的质量，还取决于总质量，这就意味着要把暗物质成分包括在内，而暗物质成分符合对光环质量的估计。"我们看到，在恒星质量相等的星系中，恒星群的表现会因星系光环中暗物质的多寡而不同，换句话说，星系从形成到现在的演化过程会因星系所处的光环而改变。"文章合著者之一、IAC 研究员伊格纳西奥-马丁-纳瓦罗（Ignacio Martín Navarro）补充说："如果星系所处的光环质量较大或较小，那么星系随时间的演化就会不同，这将反映在星系所含恒星的性质上。"今后，研究小组计划对距离银河系中心不同距离的恒星群进行测量，并证明恒星的特性对暗物质晕的依赖是否在所有半径范围内都保持不变。研究的下一步将是研究暗物质晕与宇宙大尺度结构之间的关系。这些暗物质光环并不是单独产生的，它们由细丝连接起来，构成了大尺度结构的一部分，被称为'宇宙网'。光环的质量似乎改变了星系的属性，但这可能是每个光环在宇宙网中所处位置的结果。在未来几年里，希望能够看到这种大尺度结构在我们所研究的范围内产生的影响。这项研究是基于卡拉阿托遗留整体场区（CALIFA）的260个星系进行的，卡拉阿托遗留整体场区是一个国际项目，在文章的另一位合著者赫苏斯-法尔孔-巴罗佐（Jesús Falcón Barroso）的协调下，IAC积极参与了该项目。他说："这项调查提供了光谱信息和前所未有的星系空间覆盖范围。我们对这些星系进行了高分辨率观测，获得了它们运动特性的详细测量数据，这使我们能够非常精确地研究恒星的运动，从而推断出星系的总质量。"编译自:ScitechDaily ... PC版：手机版：

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天体物理学家在"El Gordo"星系团探测到潜在的碰撞暗物质这项研究利用数值模拟分析了"El Gordo"（西班牙文的字面意思是"胖子"）一个距离我们 70 亿光年的巨型星团合并体内部发生的情况。计算结果表明，在这个星团中，观测到的暗物质最大密度点与其他质量成分最大密度点之间的物理分离可以用所谓的SIDM（自相互作用暗物质）模型来解释，而不是标准模型。这项研究为支持 SIDM 模型做出了重要贡献，根据该模型，暗物质粒子通过碰撞交换能量，从而产生有趣的天体物理学影响。埃尔戈多星系团合成图。图片来源：X 射线：NASA/CXC/Rutgers/J.Hughes et al, Optical: ESO/VLT/Pontificia Universidad.智利天主教大学/L.Infante & SOAR (MSU/NOAO/UNC/CNPq-Brazil)/Rutgers/F.Menanteau, IR: NASA/JPL/Rutgers/F.Menanteau"根据目前公认的标准宇宙学模型，宇宙目前的重子物质密度仅占其总物质含量的 10%。剩下的 90% 是暗物质"，该研究的作者里卡多-瓦尔达尼尼解释说。"一般认为，这种物质是非重子的，由冷的无碰撞粒子组成，只对引力有反应。因此被称为"冷暗物质"（CDM）。"研究人员说："然而，仍有许多观测结果无法用标准模型来解释。"为了回答这些问题，几位作者提出了一个替代模型，称为 SIDM。证明暗物质的碰撞特性，更广泛地说，证明标准宇宙学模型的替代理论是非常复杂的："然而，在距离我们许多光年之外，有一些独特的实验室可以证明对这一目的非常有用。这些实验室就是大质量星系团，它们是巨大的宇宙结构，一旦发生碰撞，就会产生自宇宙大爆炸以来能量最大的事件。厄尔戈多星系团的质量约为1015个太阳质量，是我们已知的最大星系团之一。由于其特殊性，厄尔戈多一直是众多理论和观测研究的主题"。暗物质可能是碰撞产生的根据标准范式，在星团合并过程中，碰撞气体质量部分的行为将不同于其他两个部分星系和暗物质。在这种情况下，气体会耗散其部分初始能量。瓦尔达尼尼解释说："这就是为什么在碰撞之后，气体质量密度的峰值会落后于暗物质和星系质量密度的峰值。"然而，在 SIDM 模型中，应该观察到一种奇特的现象，即暗物质中心点它的最大密度点与其他质量成分的中心点在物理上分离，这种奇特现象代表了真正的"SIDM 模型特征"。根据观测，这正是"El Gordo"内部发生的情况。观察"El Gordo"瓦尔达尼尼解释说："让我们从观测开始。它由两个巨大的子星团组成，分别称为西北（NW）和东南（SE）。El Gordo"星团的 X 射线图像显示，在东南子星团中有一个单一的 X 射线发射峰值，在 X 射线峰值之外还有两条拉长的微弱尾巴。值得注意的是不同质量成分的峰值位置。与"子弹"星团（另一个碰撞星团的重要例子）不同的是，X 射线峰值出现在东南暗物质峰值之前。此外，最亮星团星系（BCG）不仅落后于X射线峰值，而且在空间上似乎也偏离了东南质量中心点。另一个值得注意的方面可以在西北星系团中看到，星系数量密度峰在空间上偏离了相应的质量峰"。研究结果表明，碰撞暗物质可以解释在"El Gordo"观测到的现象。为了解释他的发现并验证 SIDM 模型，瓦尔达尼尼在《天文学与天体物理学》上发表的研究报告中使用了大量所谓的 N 体/流体力学模拟。因此，他进行了一项系统的研究，旨在重现"El Gordo"的观测特征。瓦尔达尼尼指出："这项模拟研究最重要的结果是，如果暗物质是自相互作用的，那么在"El Gordo"星团不同质量中心点之间观测到的相对分离现象自然就能得到解释。正因为如此，这些发现提供了一个明确的暗物质行为特征，它在能量非常高的高红移星团碰撞中表现出碰撞特性。"然而，也有不一致的地方，因为这些模拟得到的 SIDM 截面值高于目前的上限，而目前的上限在星团尺度上为一阶。这表明，目前的 SIDM 模型应被视为一种低阶近似，而描述暗物质在主要星团合并中相互作用的基本物理过程要比通常假定的基于暗物质粒子散射的方法所能充分表达的更为复杂。"这项研究令人信服地证明了在碰撞星团之间存在自相互作用暗物质的可能性，以此替代标准的无碰撞暗物质范式"。编译来源：ScitechDaily ... PC版：手机版：

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