暗物质可能最终通过自我相互作用揭示它自己

By Paul Sutter 

2022/8/23

Science & Astronomy

暗物质的本质的一个假设是其中一些可能是自我相互作用的，这意味着单个粒子轻微的与彼此相互作用小。

艺术家的散布在整个宇宙的暗物质的概念。Image credit: Getty images)

 尽管暗物质------主导星系和星系团的神秘物质形式的存在的环境证据的载荷------天文学家还没有做出它的直接观测。

但搜索没有结束。暗物质的本质的一个假设是其中一些可能是自我相互作用的，这意味着单个粒子与彼此稍微的相互作用。如果这是真的，就会有许多这个暗物质亚类存在微妙的观测线索。

其中一些暗示最近被在一篇提交给《现代物理学评论》杂志发表并发表在预印本数据库arXiv的论文概括。

强的引力透镜

当有一个观测的幸运巧合时强透镜发生。例如，当天文学家观察一个遥远的星系团时，他们也能看到一些来自甚至更遥远星系穿过星系团的光。星系团的质量（通常是太阳质量的10^14或10^15倍）是如此之大以至于它弯曲并翘曲它周围的空间织造。这扭曲背景星系的图像，将它们从熟悉的风车和椭圆形结构变成长的摆动的蛇和其他有趣的形状。

天文学家能重建这些扭曲的图像并利用这种重建来确定一个星团中有多少质量以及它被成块的地方。通常，自相互作用的暗物质有一个与常规的、非相互作用的暗物质不同的“团块性”。非相互作用的暗物质将继续堆积起来成星系团的核中令人难以置信的高密度，因为没有其他东西能在那里阻止它。但当暗物质与它自身相互作用时，这会减慢核构建的过程并平滑出星团内部的东西。

对星系团内部质量分布的详细观测（如詹姆斯·韦伯太空望远镜最近提供的观测）可能会为暗物质的存在提供一个线索。

弱引力透镜

与强引力透镜相比，弱透镜不需要一个巨大的障碍物。相反，随来自许多遥远星系的光工作它的穿过宇宙的途径，光在它的旅途中经过的附近的所有星系和其他天体的累积引力以微小的方式改变它。例如，一个特定方向的星系可能出现比其他方向的星系更圆或更胖一点。

强引力透镜需要幸运的对准，因此我们没有很多星系团来与之工作。但尽管弱引力透镜产生远更小的效应，我们有更多的数据来用。天文学家对南希·格雷斯·罗曼太空望远镜的发射感到非常兴奋，它将提供附近宇宙的详细弱透映射，并可能告诉我们暗物质是否是自相互作用的。

星系团SMACS J0723.3-7327是詹姆斯韦伯太空望远镜为各种引力透镜勘察成像的一组星系团之一。 (Image credit: NASA)(opens in new tab)

旋转曲线

 1970年代，天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）的星系内恒星运动的观测为暗物质的存在提供了第一个重要证据。简而言之，星系正在太快的旋转。如果我们基于我们能看到的相加星系中的所有质量，只是没有足够的引力来抓住这些快速围绕的恒星。因此，一定有更多的我们看不到的质量：暗物质。

再一次，由于自相互作用暗物质比非相互作用物质不一样的成块起来，这能改变星系的旋转曲线（恒星在各种轨道上的速度图）。

星系的翘曲

在它们整个数十亿年的生命周期中，物质恒定的从它的环境在每个星系上下雨。换句话说，每个星系都在一个物质的海洋中游泳。这种物质能包括常规物质和暗物质。当暗物质与自身相互作用时，这导致一个星系的暗物质部分略微的拖在正常物质后面（因为正常物质能毫无问题地游过所有周围的物质）。

这能导致星系有两个稍微偏移的核：一个由常规物质组成，另一个由暗物质组成。这种偏移触发整个星系的潮汐干扰，甚至造成星系的圆盘来翘曲。未来对星系的详细观测可能揭示出圆盘中只有自相互作用的暗物质能解释的翘曲。

合并

 当巨大的星系团合并时，天文学家能观察残骸来了解它们内部的什么。例如，著名的子弹星团显示当两个星团合并时发生的：恒星和暗物质（通过引力透镜测量）彼此不接触的穿过，而星团中所有松散气体在碰撞中心彼此撞击。

暗物质位于系统外围的事实告诉我们暗物质不经常与它自身相互作用;否则，它会与气体一起已经在中心纠缠起来。子弹星团和其他类似的星团允许天文学家放上暗物质与自身相互作用多强的限制。更多的观测将导致更精确的限制，甚至可能是自相互作用暗物质的积极证据，如果这为观测提供一个更好的拟合。