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：

哈勃望远镜用最锐利的视角揭示光栅星系的尘埃和暗物质

哈勃望远镜用最锐利的视角揭示光栅星系的尘埃和暗物质 哈勃望远镜拍摄到的 NGC 4753 星系显示了复杂的尘埃结构和暗物质光环。这个星系是研究星系形成和测量宇宙距离的重要场所。NGC 4753 位于室女座，距离地球约 6000 万光年，由天文学家威廉-赫歇尔于 1784 年首次发现。它是室女座第二云中 NGC 4753 星系群的成员，该星系群由大约 100 个星系和星系团组成。这个星系据信是大约 13 亿年前与附近的一个矮星系合并的结果。NGC 4753星系核周围明显的尘埃通道据说就是这次合并过程中吸积形成的。现在人们相信，银河系中的大部分质量都存在于暗物质构成的略微扁平的球形光环中。暗物质是一种目前无法直接观测到的物质，但被认为占宇宙中所有物质的85%左右。它之所以被称为"暗物质"，是因为它似乎不与电磁场发生相互作用，因此似乎不会发射、反射或折射光线。由于这个天体的低密度环境和复杂结构，它对检验透镜状星系形成的不同理论也具有科学意义。此外，这个星系还是两个已知的 Ia 型超新星的宿主。这些类型的超新星极其重要，因为它们都是由白矮星爆炸引起的，而白矮星都有伴星，并且总是以相同的亮度达到峰值比太阳亮 50 亿倍。了解这些事件的真实亮度，并将其与表观亮度进行比较，为天文学家提供了一个测量宇宙距离的独特机会。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

天文学家揭示暗物质在星系演化中的作用

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：

天体物理学家在"El Gordo"星系团探测到潜在的碰撞暗物质

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：

科学家提出搜寻暗物质的新方法

科学家提出搜寻暗物质的新方法 自暗物质被发现以来，科学家们一直未能探测到它，即使几十年来在世界各地部署了多个超灵敏粒子探测器实验也无济于事。现在，美国能源部（DOE）SLAC 国家加速器实验室的物理学家们提出了一种利用量子设备寻找暗物质的新方法。SLAC物理学家丽贝卡-利恩（Rebecca Leane）是这项新研究的作者之一，她认为大多数暗物质实验都在寻找银河系暗物质，这种暗物质会直接从太空发射到地球上，但另一种暗物质可能已经在地球周围徘徊了很多年。利恩说："暗物质进入地球后，会四处弹跳，最终被地球的引力场困住。随着时间的推移，这种热化暗物质的密度会比少数松散的星系粒子更高，这意味着它更有可能撞上探测器。不幸的是，热化暗物质的移动速度要比银河系暗物质慢得多，这意味着它传递的能量要比银河系暗物质少得多传统探测器可能无法看到。"有鉴于此，利恩和 SLAC 博士后研究员阿尼尔班-达斯找到了 SLAC 的科学家诺亚-库林斯基，他是一个新实验室的负责人，主要研究用量子传感器探测暗物质。库林斯基说，科学家通常认为这是因为冷却系统不完善或环境中存在热源。但他说，可能还有其他原因："如果我们实际上有一个完美的冷系统，而我们无法有效冷却它的原因是它不断受到暗物质的轰击呢？"达斯、库林斯基和利恩想知道，超导量子设备是否可以重新设计为热化暗物质探测器。根据他们的计算，激活量子传感器所需的最小能量足够低，约为千分之一电子伏特，因此它可以探测到低能量的银河系暗物质以及悬浮在地球周围的热化暗物质粒子。当然，这并不意味着暗物质是量子设备失灵的罪魁祸首只是说它是可能的，下一步就是要弄清楚他们能否以及如何将敏感的量子设备变成暗物质探测器。因此，有几件事需要考虑。首先，也许有更好的材料来制造这种装置。利恩说："我们一开始考虑的是铝，这只是因为铝可能是迄今为止用于探测器的特性最好的材料。但事实可能证明，对于我们正在研究的质量范围和我们想要使用的探测器类型，也许有更好的材料。"利恩说，还有一种可能性是，热化暗物质与量子设备的相互作用不会像银河系暗物质被怀疑与直接探测设备的相互作用那样。在这项研究中只是考虑了暗物质进入并直接弹开探测器的简单情况，但它还可以做很多其他事情。例如，其他粒子可能与暗物质相互作用，改变探测器中粒子的分布方式。"这就是在 SLAC 工作的好处之一。我们确实有相当多样化的小组在从事许多不同的科学研究，我觉得这个项目是 SLAC 研究的一个非常好的协同效应。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国建成世界最大最深的暗物质实验室

中国建成世界最大最深的暗物质实验室 中国锦屏地下实验室（CJPL）自2010年投运，经过三年修建，中国锦屏地下实验室二期（CJPL-II）于2023年12月投入科学运行。其33万立方米的超大空间超过了之前深度和体积的纪录保持者意大利的格兰萨索国家实验室（LNGS）。更大的空间让粒子和天体物理氙探测实验（PandaX）和中国暗物质实验（CDEX）这类项目可以再次升级。芝加哥大学的物理学家Juan Collar说：“他们在十年内完成的工作令人赞叹。”暗物质一直是科学界的一个谜。物理学家经过计算发现，可见物质产生的引力太弱，无法阻止快速移动的星系飞散。因此，他们提出理论，认为暗物质就像不可见的胶水，把整个宇宙黏在一起。虽然暗物质理应无处不在，但事实证明直接观测到暗物质很难，因为理论上暗物质与普通物质不会相互作用，也不会释放、反射或吸收光。之前有人提出探测到了暗物质，但反驳观点认为，这些实验可能受到了其他信号的混淆。科学荣誉等候着第一个探测到暗物质的人，这也是粒子物理学的最大任务之一，在CDEX合作组工作的台湾中央研究院的物理学家Henry Tsz-King Wong说道。山下之光寻找暗物质的最佳场所是地下，因为岩体能替探测器挡掉背景“噪音”，比如从太空向地球洒落的高能粒子宇宙射线就会淹没潜在的暗物质信号，意大利国家核物理研究院的物理学家Marco Selvi说，想从地球表面探测暗物质就像在一个人声鼎沸的体育场里辨认一个小孩发出的微弱声音。在深地环境下，CJPL-II 的宇宙线通量仅为地表的0.000001%，使其成为世界上屏蔽效果最好的地下实验室之一。实验室的墙体还包裹了由橡胶、混凝土等材料混合而成的10厘米厚的保护结构，能防止周围岩体释放的水和放射性氡气，以免暗物质探测实验受到干扰。实验室的研究团队已经在利用新增的空间了。在CJPL-II施工期间，PandaX团队将其探测器从120公斤液氙升级到4吨。当潜在的暗物质颗粒与氙原子发生碰撞，其能量就会转变成能被光电传感器探测到的闪光。该探测器很快将赶上LNGS的XENONnT实验（8.6吨）以及美国桑福德地下研究所的LUX-ZEPLIN实验（7吨）。PandaX-4T探测器位于一个900立方米的水池中，这是为了能进一步屏蔽杂散粒子的干扰，团队成员、上海交通大学物理学家周宁表示，“灵敏度提升后，我们就能用探测器测试不同类型的相互作用。”该团队最终想要打造一个40-50吨的氙探测器，有望与以40吨为目标的达尔文实验（DARWIN Experiment）相抗衡。与此同时，CDEX团队也在部署一台锗探测器，锗探测器能寻找比氙实验寻找的质量更小的潜在暗物质粒子，CDEX团队成员、北京清华大学物理学家岳骞说。CDEX探测器已经从1公斤锗升级到10公斤锗，并计划打造一个1吨量级的探测器阵列。如果一个暗物质粒子撞到了这个探测器，其相互作用就应产生电荷，这个电荷会转换为电信号。岳骞希望CDEX能吸引更多国际合作，目前已经有印度和土耳其的研究人员加入。Selvi说，虽然各国对暗物质的搜寻非常激烈，但世界上多个地下实验室共同开展相似实验能让研究人员比对结果。2022年，PandaX团队便使用一种类似手段确认了LNGS的XENON 实验的结果该实验发现2020年XENON探测到的一个意外信号来自背景噪音而不是暗物质。Collar认为，新的方法和理论也将推动暗物质的研究，而不是用更大更灵敏的探测器打败对手。他说，“已经有很多重复的版本了。”周宁说，下一个十年里，CJPL-II团队将继续提升探测器的灵敏度。他也希望全球暗物质研究社区能共享数据并将CJPL-II的数据与他们自己的数据结合。他说：“我们还有很多工作要做。” ... PC版： 手机版：