大质量的“胖子”星系团提示暗物质撞进它自身

(2024-06-09 08:38:20)

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杂谈

大质量的“胖子”星系团提示暗物质撞进它自身

By Robert Lea

published 17 hours ago

The Universe

如果真的，这将挑战宇宙学的一个基本框架。

“胖子（El Gordo）”是已知存在的最星系团之一。它有奇怪的如果暗物质是自我相互作用的可被解释的属性。 (Image credit: NASA, ESA, J. Jee (University of California, Davis), J. Hughes (Rutgers University), F. Menanteau (Rutgers University and University of Illinois, Urbana-Champaign), C. Sifon (Leiden Observatory), R. Mandelbum (Carnegie Mellon University), L. Barrientos (Universidad Catolica de Chile), and K. Ng (University of California, Davis))

如果宇宙中最神秘的暗物质能与它自身碰撞，在一个大质量的合并星系团中的奇怪行为可以被解释。然而，就在现在最有利的宇宙学模型是冷暗物质（CDM）模型，它提示暗物质效果上是看不见的，因为它不与光相互作用，不是自我相互作用的。

为弄清楚这个难题的根底，来自意大利国际高等研究阿万扎蒂大学（SISSA）天体物理学和宇宙学小组的研究人员开始仿真在大质量星系团“胖子”（在西班牙语中El Gordo字面意思是“胖子”）内什么正在发生。它位于距离地球约70亿光年远处。

这次仿真揭示了碰撞星系的超星系团的物理学- 它有相当于3000万亿个太阳的质量，正式被编号为ACT-CL J0102-4915 - 可以被用一个冷暗物质的替代理论解释。这种替代理论被称为自相互作用暗物质（SIDM）模型。

就像它的名字提示的那样，该模型摆出无论暗物质由什么组成，该物质能碰撞并与其自身相互作用。如果宇宙被自相互作用暗物质（SIDM）模型准确的描述，那就意味着暗物质粒子能与它们自己交换能量。

一个肥胖的暗物质实验室

暗物质既不与光相互作用也不与可见物质相互作用的事实已经偏向科学家它不能被电子、质子和中子构成的原子组成。这些是构成恒星、行星、卫星和我们身体的点点。这些粒子是重子家族的部分，因此日常物质技术上更被称为“重子物质”。

暗物质与引力相互作用，因此它对空间的非常织造的影响能影响重子可见物质和光。这就是科学家如何推断暗物质存在的。然而，暗物质给物理学表现一个大问题。暗物质粒子的数量以至少5比1甚至多达9比1远远超过重子粒子，这意味着我们在宇宙中看到的东西只是它实际内容的一小部分。

团队负责人和国际高等研究阿万扎蒂大学（SISSA）科学家瓦尔达尼尼（Riccardo Valdarnini）在一份声明中说，“按照目前接受的标准宇宙学模型，目前宇宙的重子物质密度只能占它的总物质含量的10%。剩下的90%是以暗物质的形式，人们普遍认为这种物质是非重子的，由冷的无碰撞粒子组成，它们只对引力响应“。

“然而，仍有许多观察结果一直还没有被用标准模型解释”。

一个按照流行的冷暗物质模型显示宇宙演化的图表。胖子的观测可能会使这个模型受到质疑。(Image credit: NASA/ LAMBDA Archive / WMAP Science Team)

胖子被两个隔开的星系子星系团组成，以每小时数百万英里的速度碰撞。它是如此遥远以至于它被看到就像它是当宇宙不到它现在年龄的一半时一样。瓦尔达尼尼解释像2012年被发现的胖子一样巨大和大质量的结构为研究潜在的自相互作用暗物质（SIDM）模型提供完美的宇宙实验室。

瓦尔达尼尼说，“有大质量的星系团、巨大的宇宙结构靠碰撞决定自大爆炸以来最高能的事件，胖子是我们知道的最大的星系团之一。由于它的特殊性，胖子一直是许多理论和观测研究的主体”。

一个宇宙学标准模型的问题

宇宙学的冷暗物质标准模型提示当星系团中的星系碰撞和合并时这种事件的气体成分应该与暗物质成分不一样的行为，作为最初被释放的能量的部分消散。

瓦尔达尼尼解释说，“这就是为什么在碰撞之后气体质量密度的峰值将落后于暗物质和星系的峰值的”。

自相互作用暗物质（SIDM）模型提示在这些碰撞期间某些不一样的事情会发生。在这个模型中，最大暗物质质量密度的点（这被指为“暗物质质心”）与碰撞星系的其他质量成分之间会有一个物理隔开。胖子的观测似乎提示这个确切的自相互作用暗物质（SIDM）模型签名。

这张星系团胖子的图片结合欧洲南方天文台的超大望远镜拍摄的图像以及SOAR望远镜的图像和美国宇航局钱德拉X射线天文台的X射线观测结果。 (Image credit: ESO/SOAR/NASA)

胖子由两个大质量的分别命名为西北（NW）和东南（SE）的星系子星系团组成。整个碰撞超星系团的X射线图像显示一个在东南亚星系团中的X射线峰以及两个微弱的延伸到这个峰之外的细长尾巴。

这些发射的一个奇怪特征是不同质量成分的变化的峰值位置。与在另一个大质量的叫子弹星系团的碰撞星系团中看到的不同，胖子的X射线峰先于东南暗物质峰。除此之外，胖子中最亮星系团（BCG）正在X射线峰后拖尾，它还出现偏离东南的质量质心。在胖子的西北星团中也有奇怪的特征。在这个区域中，星系的峰值密度空间上从相应的质量峰值偏移。

为解释这些特征并潜在的验证一个自相互作用暗物质（SIDM）模型，瓦尔达尼尼和团队对胖子进行了大量流体动力学仿真，目的是来重现观察到的大质量超星系团的特征。

他继续说道，“这项仿真研究的最重要结果是如果暗物质是自相互作用的，胖子星团的不同质量质心之间观测到的相对隔开被自然的解释。出于这个原因，这些发现提供一个暗物质的行为的不含糊的签名，该行为在非常高能的高红移（非常遥远的）星团碰撞中展示碰撞属性”。