星系对中神秘的暗物质为何缺失

科技工作者之家 2020-09-11

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暗物质

暗物质不发光,无法被直接观测,但却构成了宇宙中85%的物质。它的本质对于人类来说仍是个谜。

美国加州大学河滨分校(UCR)的物理学家经研究创建了一套关于暗物质本质的新理论,它有助于解释一对距地球6500万光年的星系中为什么几乎没有这种神秘物质。当地时间9月9日,该研究发表在《物理评论快报》。

有一种流行的暗物质理论被称为“冷暗物质”(CDM),它假设:除了受引力作用,暗物质粒子之间是不会发生碰撞的。最新的第二种理论被称为“自相互作用暗物质”(SIDM),这种理论提出:暗物质粒子借助一种新的暗作用力相互作用。

这两种理论都解释了宇宙的整体结构是如何形成的,但它们对于星系内部区域中暗物质分布情况的预测不同。SIDM理论还提出,暗物质粒子在靠近星系中心的内部光晕中会发生强烈地相互碰撞。

通常情况下,可见星系由不可见的暗物质晕占据——一团形状犹如球体、围绕在星系周围的物质,被引力聚集在一起。然而,科学家最近对两个超扩散星系“NGC 1052-DF2”和“NGC 1052-DF4”的观测结果表明,这两个星系所包含的暗物质非常少。

这一推断与物理学家目前对于星系形成过程的理解不符,而天体物理观测结果表明,“NGC 1052-DF2”和“NGC 1052-DF4”可能是“NGC1052”的卫星星系。

该研究领导者、UCR物理学和天文学副教授Hai-Bo Yu介绍道:“人们普遍认为,暗物质占据了星系整体质量的绝大部分。然而,对‘NGC 1052-DF2’和‘NGC 1052-DF4’的观测结果显示,它们的暗物质量与恒星质量的比值约为1,这比预期值低了300倍。我们认为DF2和DF4的晕圈可能是由于与大质量星系“NGC 1052”的潮汐力相互作用而失去了大部分质量。”

通过复杂的模拟运算,该研究小组通过“NGC 1052”的潮汐剥离效应(物质由于星系间的潮汐力作用而剥离)重现了“NGC 1052-DF2”和“NGC 1052-DF4”的特性。因为卫星星系自身的引力不足以固定这些剥离质量,所以它们有效地增加了“NGC 1052”的质量。

研究人员在分析了CDM和SIDM这两种情况后表明:相较于CDM,SIDM能更好地解释诸如“NGC 1052-DF2”和“NGC 1052-DF4”这样缺乏暗物质星系的形成。

CDM和SIDM晕圈中都可能产生潮汐物质损失。在CDM中,内部晕的结构不仅“坚硬”,还能迅速从潮汐剥离效应中恢复质量,这使得典型的CDM晕很难在潮汐场中失去足够多的内部质量,与“NGC 1052-DF2”和“NGC 1052-DF4”的观测结果不符。

相比之下,在SIDM中,暗物质的自相互作用可能会将暗物质粒子从内部推到外部区域,从而让内部晕“更蓬松”,以致潮汐物质量损失增加。然后恒星的分布变得更加分散。

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编译:朱明逸  

审稿:西莫 

责编:陈之涵

期刊来源:《物理评论快报》

期刊编号:0031-9007

原文链接:

https://phys.org/news/2020-09-physicists-mysterious-dark-deficiency-galaxy.html

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