星系形狀都不同？暗物質有特殊的速度？

博科園：本文為天文學類

日本、德國和奧地利的研究人員在一項新研究中稱，暗物質粒子只有在遇到合適的能量時才會相互散射。他們的想法有助於解釋為什麼從最小到最大的星系都有它們自己的形狀。暗物質是一種神秘而未知的物質形式，它佔據了今天宇宙中80%以上的物質。它的性質未知，但是物理學家相信它的引力是恆星和星系形成的原因，正是這些形成了我們的存在。暗物質實際上是我們的母親，是她生下了我們所有人。但我們還沒見過她，不知怎麼的，我們一出生就分開了。加州大學伯克利分校的教授，也是宇宙物理和數學Kavli研究所的首席研究員，論文作者Hitoshi Murayama說：她是誰？這是我們想知道的問題。

博科園-科學科譜：天文學家已經發現暗物質並不像計算機模擬顯示的那樣聚集在一起。如果引力是驅動暗物質的唯一力量，只是拉力而不是推力，那麼暗物質就會變得非常密集，向星系中心靠近。然而，特別是在被稱為矮球狀體的微弱的小星系中，暗物質似乎並不像預期的那樣向星系中心聚集。如果暗物質像撞球一樣向自身散射，允許粒子在碰撞後更均勻地擴散，這個難題就可以解決了。但是這個想法的一個問題是暗物質似乎確實聚集在更大系統中，比如星系團。是什麼使得矮球體和星系團之間的暗物質表現不同？一個國際研究小組開發出一種解釋，可以解開這個謎題，並揭示暗物質是什麼。

天文學家觀察到，暗物質在小星系中似乎不怎麼聚集，但在大星系(如星系團)中，它們的密度會急劇上升。為什麼不同的系統表現不同，這一直是個謎。圖片：Kavli IPMU - Kavli IPMU modified this figure based on the image credited by NASA, STScI

中國物理學家、奧地利科學院博士後朱曉永表示：如果暗物質相互散射的速度很低，但非常特殊，它經常發生在矮球狀體中，在那裡它移動緩慢，但在快速移動的星系團中卻很罕見，它需要引起共鳴。共振是一種常見的現象——在玻璃杯中旋轉葡萄酒，使其暴露在氧氣中併產生更多的香氣，這需要以完全正確的速度旋轉玻璃杯。舊模擬收音機必須調到正確的頻率。這些都是共振的例子，研究小組懷疑共振可以解釋暗物質之謎。據我們所知，這是對這個謎題最簡單的解釋。我們很興奮，因為我們可能很快就會知道暗物質是什麼。

當兩個暗物質粒子相互靠近時，就會傾向於簡單地通過對方。圖片：Kavli IPMU

然而，研究小組不相信這樣一個簡單的想法能夠正確解釋這些數據。德國德國電子同步加速器(DESY)的博士後研究員，哥倫比亞科學家卡米洛·加西亞·魯爾說：首先，我們對這個想法能否解釋觀測數據持懷疑態度。研究小組相信暗物質能夠準確地擊中目標並非偶然，自然界中還有許多其他系統也發生過類似的事故：在恆星中，阿爾法粒子撞擊鈹的共振，鈹又撞擊碳的共振，產生了構成地球生命的物質。類似的過程也發生在一個叫做的亞原子粒子上。這也可能是一個信號，表明世界比我們看到的更廣闊。如果一個粒子在額外維度運動，它就有能量。

但當它們以一種特殊速度出現時，它們會產生「共振」，並在短時間內相互粘在一起，然後向不同的方向移動，導致它們分散開來。這樣，暗物質就可以擴散開來，這樣我們就可以理解小星系中平滑的輪廓。圖片：Kavli IPMU

對於沒有看到額外維度的人類，我們認為能量實際上是質量，這要歸功於愛因斯坦的E=mc2。也許一些粒子在額外維度移動速度是它的兩倍，這使得它的質量恰好是暗物質質量的兩倍。研究小組的下一步將是尋找支持他們理論的觀測數據。如果這是真的，未來對不同星系的更詳細觀測將揭示暗物質散射確實依賴於它的速度。這台價值8000萬美元的儀器將安裝在夏威夷大島莫納克亞山頂的斯巴魯望遠鏡上，能夠測量矮球體中數千顆恆星的速度。該小組的論文於2月22日在《物理評論快報》上發表。

利用共振的思想，這個圖表明我們可以同時解釋所有的系統。圖片：Xiaoyong Chu, Camilo Garcia Cely, Hitoshi Murayama

博科園-科學科普｜研究/來自: 卡夫利宇宙物理與數學研究所

參考期刊文獻:《Physical Review Letters》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.071103

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