用銀河系中最古老的恆星追逐暗物質

【博科園-科學科普-留言評論或建議有驚喜哦~( ^_^)】地球附近的暗物質到底有多快?暗物質的速度對現代天體物理學研究有著深遠的影響，但這一基本特性多年來一直困擾著研究人員。在1月22日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)雜誌上的一篇論文中，一個由天體物理學家組成的國際團隊提供了第一個線索：事實證明，解開這個謎團的答案，就在銀河系中一些最古老的恆星之間。

普林斯頓大學的物理學助理教授Mariangela Lisanti說：從本質上講這些古老的恆星是無形的暗物質的測速儀，測量它在地球附近的速度分布。你可以把最古老的恆星看作是暗物質的發光示蹤物。暗物質本身也許我們永遠看不到，因為它沒有向任何可觀測的程度發射光——它對我們來說是不可見的，這就是為什麼我們很難對它說任何具體的東西。為了確定哪些恆星表現得像不可見的和無法探測的暗物質粒子，Lisanti和她的同事們轉向了一個計算機模擬，Eris使用超級計算機來複制銀河系的物理，包括暗物質。

圖為銀河系。圖片版權：R. Hurt (SSC), JPL-Caltech, NASA

研究論文的合著者本科生約拿·赫爾佐格-阿爾比特曼(Jonah herzogar - arbeitman)說：假設有一些恆星的子集由於某種原因會與暗物質的運動相匹配。herzogar - arbeitman和Lina Necib是加州理工學院的另一位合著者，他從Eris的數據中生成了大量的圖表，將暗物質的各種性質與不同的恆星亞群的屬性進行了比較。他們的重大突破在於，他們將暗物質的速度與不同的「金屬城市」的恆星的速度進行了比較，或者將重金屬與較輕的元素的比值進行比較。

這條代表暗物質的曲線與最不重金屬的恆星相匹配:「我們看到了所有的線條，這是一個非常合理的想法的一個很好的例子。幾十年來天文學家已經知道，金屬可以作為恆星年齡的代表，因為金屬和其他重元素是在超新星和中子星的合併中形成的。與銀河系合併的小星系通常相對較少這些重元素。暗物質和最老的恆星之間的關係並不奇怪。暗物質和這些老恆星有著相同的初始條件：它們從同一個地方開具有相同的屬性……所以在一天結束的時候，它們都是通過重力作用的是有道理的。

為什麼它很重要？

自2009年以來研究人員一直在試圖直接觀察暗物質，將非常緻密的物質——通常是氙深埋在地下，等待著穿過地球的暗物質與之相互作用。Lisanti將這些「直接探測」實驗比作一場撞球遊戲：當暗物質粒子在原子中散射出原子核時，碰撞類似於兩個撞球互相撞擊。如果暗物質粒子的質量比原子核小得多，那麼碰撞後原子核就不會移動很多，這就使得我們很難注意到發生了什麼。這就是為什麼限制暗物質的速度如此重要的原因，她解釋道：如果暗物質粒子既慢又輕，它們可能沒有足夠的動能來移動核「撞球」，即使它們正好撞到其中一個。

但是如果暗物質的運動速度更快，它就會有更多的動能。這增加了碰撞的幾率，原子核的反衝會更大，所以你可以看到它。最初科學家們期望看到足夠多的粒子相互作用——足夠的移動的彈子球——能夠推導出暗物質粒子的質量和速度。因此像Lisanti和她的同事這樣的研究人員並沒有利用這些相互作用來確定速度，而是希望翻動這個腳本，並利用這個速度來解釋為什麼直接檢測實驗還沒有發現任何東西。

Lisanti說：這種失敗——至少是如此遠的直接檢測實驗導致了兩個問題。我怎麼才能算出這些東西的速度呢？難道我們沒有看到任何東西，因為速度分布上有什麼不同於我們的預期嗎？有一個完全獨立的方法來計算暗物質的速度，有助於闡明這一點。但到目前為止，這只是理論上的。現實世界的天文學並沒有發現Eris模擬所產生的大量數據，所以Lisanti和她的同事們還不知道我們的銀河系最古老的恆星運動的速度有多快。

幸運的是歐洲航天局(European Space Agency)的蓋亞(Gaia)望遠鏡正在收集這些信息，該望遠鏡自2014年7月以來一直在掃描銀河系。到目前為止只公布了一小部分恆星的信息，但是完整的數據集將包含更多關於近10億顆恆星的數據。從目前和即將到來的恆星調查來看，地平線上的大量數據將提供一個獨特的機會來理解暗物質的基本特性。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：物理快報

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：普林斯頓大學

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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