暗物質是熱的還是冷的？最新研究再次質疑了暗物質

自上世紀60年代“廣義相對論的黃金時代”以來，科學家們一直認爲，宇宙的大部分由一種名爲“暗物質”的神秘不可見物質組成。從那時起，科學家們就試圖用新的方法方法來解開這個謎團。

一方面，天體物理學家試圖找到一種候選粒子來解釋這個質量。另一方面，天體物理學家試圖找到一個理論基礎來解釋暗物質的行爲。到目前爲止，科學家爭論的焦點是暗物質到底是“熱”還是“冷”，大部分科學家認爲暗物質比較趨近於冷，因爲冷將導致粒子的運動相對簡單。然而，哈佛-史密森天體物理中心(CfA)領導的一項新研究對暗物質實際上可能是“溫暖的”還是“寒冷的”這一觀點提出了質疑。

據瞭解，該研究是基於宇宙學模擬的星系形成使用一個宇宙模型，其中包括相互作用的暗物質。模擬是由來自CfA、麻省理工學院卡弗裡天體物理與空間研究所、萊布尼茨天體物理研究所波茨坦以及多所大學的國際研究團隊進行的。

神秘的暗物質

說起暗物質時，首先，科學家認爲它佔宇宙質量的84%，既不發光，也不吸收或反射光線或任何其他已知形式的輻射。其次，它沒有電磁電荷，除了通過引力(四種基本力中最弱的一種)之外，它不與其他物質相互作用。再者，它不是由原子或它們通常的組成部分(即電子、質子和中子)組成的，這就造成了它的神秘性質。因此，科學家們從理論上推斷，它一定是由某種新物質構成的，這種物質符合宇宙定律，但在傳統的粒子物理學研究中沒有出現。

不管暗物質的真實性質如何，自從大爆炸之後的10億年以來，它對宇宙的演化產生了深遠的影響。事實上，科學家認爲暗物質在從星系的形成到宇宙微波背景輻射(CMB)的分佈等各個方面都發揮了關鍵作用。

更重要的是，考慮到暗物質所起作用的宇宙學模型是由對這兩種截然不同的宇宙結構的觀察所支持的。此外，它們與宇宙參數一致，比如宇宙膨脹的速度，宇宙膨脹本身受到一種神秘的無形力量(稱爲“暗能量”)的影響。

冷暗物質？

目前，最被廣泛接受的暗物質模型假定是暗物質除了重力的影響，不會與任何其他種類的物質或輻射(包括暗物質本身)相互作用，也就是說，暗物質是“冷的”。這就是所謂的冷暗物質(CDM)場景，它通常以LCDM宇宙學模型的形式與暗能量理論(用Lambda表示)相結合。

暗物質的這種理論形式也被稱爲非相互作用，因爲除了最弱的基本力之外，暗物質無法通過其他任何方式與正常物質相互作用。進行宇宙演化的數值模擬之後，冷暗物質方案成爲了更令人接受。因爲這些模擬表明，暗物質預測的分佈與今天的宇宙完全不同。出於這個原因，人們開始考慮另一種極限，即出生時幾乎沒有任何速度的粒子，即“冷”。

在進行了與之前相同的星系聚類測試之後，天文學家們發現，模擬的宇宙與觀測到的宇宙驚人地一致。在接下來的幾十年裡，冷粒子已經通過了比簡單的星系集羣更嚴格、更重要的測試，而且它通常都以優異的表現通過了這些測試。

另一個吸引人的地方是冷暗物質(至少在理論上)應該可以直接或間接探測到。然而，這正是CDM遇到麻煩的地方，因爲迄今爲止所有探測單個粒子的嘗試都失敗了。因此，宇宙學家已經開始考慮其他可能的候選者，它們與其他物質的相互作用程度甚至更小。

熱暗物質？

這也是來自CfA的天文學家索納克·博斯(Sownak Bose)和他的研究團隊試圖確定的真相。爲了繼續研究，研究團隊集中在一個“溫暖”的暗物質候選體上，即熱暗物質（HDM）。這種類型的粒子將有能力與接近光速的非常輕的粒子進行微妙的相互作用，特別是，它可以與中微子相互作用，而中微子是HDM方案的最佳候選人。中微子被認爲在早期炎熱的宇宙中非常普遍，因此相互作用的暗物質的存在將產生強大的影響。

“在這類模型中，暗物質粒子被允許與光子或中微子等輻射物質進行有限(但較弱)的相互作用，”博斯博士說。“這種耦合在早期宇宙的‘塊狀’中留下了相當獨特的印記，這與暗物質是冷粒子時的預期大相徑庭。”

爲了驗證這一點，研究小組在哈佛大學和冰島大學的超級計算設施中進行了最先進的宇宙學模擬。這些模擬考慮了從大爆炸後的10億年到140億年，熱物質和暗物質的存在將如何影響星系的形成。博斯博士表示：通過運行計算機模擬來實現這個宇宙在140億年的進化之後可能會是什麼樣子。除了建立暗物質成分的模型，我們還爲恆星的形成、超新星和黑洞的影響、金屬的形成等方面提供了最先進的處方。

然後，研究小組將這些結果相互比較，以識別出能夠區分兩者的特徵。結果他們發現，在許多模擬實驗中，這種相互作用的暗物質的影響太小，根本無法被發現，並且它們以一些獨特的方式存在。科學家興奮地表示，這個發現特別有趣，因爲它可以在未來使用下一代儀器進行測試。做到這一點的方法是通過觀察氫氣的分佈來繪製早期宇宙的塊狀結構，從觀測上看，這是一項成熟的技術，我們可以通過觀察遙遠星系的光譜來探測早期宇宙中的中性氫分佈。

簡而言之，從遙遠星系射向我們的光必須穿過星系間介質。如果中間介質中存在大量中性氫，星系的發射線就會被部分吸收，而如果中間介質中中性氫很少，發射線就會暢通無阻。如果暗物質真的是冷的，它將以氫氣的“塊狀”分佈的形式出現，而波分複用方案將導致振盪的塊狀分佈。

目前，天文儀器還沒有測量早期宇宙中氫氣振盪所需要的分辨率。但正如博斯博士所指出的，這項研究可能會爲能夠進行這些觀察的新實驗和新設備提供動力。

無論如何，科學就是這樣，做出預測，提出一種測試方法，進行實驗，然後修正或者排除理論，儘管我們離暗物質真的很遙遠，但是時間會給我們一個答案！