一些暗物质晕可以像空心宇宙复活节彩蛋一样滚动过宇宙

By Robert Lea published 13 hours ago

The Universe

一个无恒星或“暗的”暗物质晕在它的中心将没有星系。

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在它的核有一个星系的暗物质晕。然而也不是所有的暗物质晕都可能充满恒星填充物。 (Image credit: Robert Lea (created with Canva))

一段时间以来，科学家们已经沉思了一个特殊的问题：如果没有一个暗物质外晕的星系能存在吗？但新的研究推翻着这个问题，调查是否一些在它们的中心没有星系的暗物质晕可以存在——像空心复活节彩蛋漫游这个宇宙一样。

星系和暗物质理论上被如此联系，因为星系被认为作为涌入太空井的气体和尘埃的结果来形成，而这些井被暗物质团块的引力影响。随质量在那些井里聚集恒星被形成。这继续的生长一个星系，数百万年后星系最终坐起在一个暗物质气泡中。

但加州大学圣地亚哥分校的计算天体物理学家伊森·纳德勒正在探索无星系的暗的暗物质晕的可能存在。这一切都始于当他计算低于这个临界质量这样一个晕不能来形成恒星时。

纳德勒告诉太空网站，“我们从来已经观察到的每一个星系都与居住在暗物质晕中是一致的。然而我们不知道是否不能来形成恒星的暗物质晕存在。换句话说，我们不知道是否完全黑暗、无恒星的晕存在。一个无恒星或“暗的”暗物质晕在它的中心将没有星系”。

纳德勒解释说，之前恒星形成质量极限被认为是在1亿到10亿个太阳质量之间。这意味着只围绕这个质量极限的暗物质晕真的仍然暗的没有形成恒星，提示它们的存在是相当罕见的。然而，纳德勒现在已经识别了一个新的、更低的恒星形成质量极限，提示暗的暗物质晕实际上可能比以前认为的更常见。事实上他提出这些天体的更小质量版本实际上受宇宙学模型青睐。

恒星形成的关键成分之一是氢，它是宇宙中最轻和最基本的元素。纳德勒解释说，之前试图为恒星形成放上一个下限的尝试只考虑了最简单的氢的冷却，由一个电子围绕一个质子的原子核运行组成。然而当考虑到由两个氢原子结合在一起的氢分子的冷却时，他发现恒星可以在大约大爆炸后10亿年只有100万个太阳质量的暗物质晕中形成——比之前预测的更小。

随着时间这些晕通过积累更多的暗物质已经继续增长，最终达到当前宇宙中1000万个太阳质量。甚至比这更小的暗物质晕也会通过聚集质量已经生长——但它们的恒星形成由于来自其他（更成功的）星系的辐射流入已经被阻碍。

纳德勒说，从理论的立场点大多数暗物质模型预测比大晕更小的晕存在，如此从这个意义上无恒星晕很可能大量存在。

爱因斯坦揭示 “暗的”暗物质晕

暗物质被假设超重宇宙中普通物质五倍。这意味着在宇宙层面上围绕我们看到的所有东西比如恒星、行星和卫星和在每日层面上比如树木、云、汽车、我们的身体和隔壁的猫刚好占宇宙物质的15%。

然而，尽管暗物质无处不在，但它效果上是看不见的，因为它不与光相互作用（或者它的作用太弱不能被用我们的仪器探测到）。同样的暗物质也不与普通物质相互作用，我们已经没有看到它与自身相互作用的任何强有力的证据。但这并不一定意味着没有星系的暗物质晕能像巨大的幽灵一样漂移过宇宙。

暗物质确实有质量，这意味着它确实有引力上相互作用。这就是我们第一位知道它在那里的。这意味着暗的暗物质晕如果它们就在那里可能今天正有一个影响。

纳德勒说，虽然无恒星晕（如果它们存在）不宿主星系，但它们仍然对暗物质和正常物质有一个引力影响。因此确实存在的无恒星晕的数量和质谱在决定我们宇宙的小尺度结构和它的引力动力学中是重要的。

不过观测上我们还没有星系形成阈值以下晕存在的证据。下一个主要目标是检测这些天体。

图表显示暗物质对组成恒星、行星和猫的物质的比例。 (Image credit: Robert Lea (created with Canva))

然而，狩猎下这些暗的暗物质晕说起来容易做起来难，因为暗物质的不可见性；科学家通过观察它的对可见日常物质的引力效应比如星系的恒星、气体和尘埃——但在一个暗物质晕中没有星系意味着对这种引力影响来作用在上没有可见的任何东西。

那不过是空间和时间本身的非常织造。

纳德勒解释说，我们不能直接的寻找“暗的”暗物质晕；相反，我们需要基于它们的引力影响推断它们的存在。一种承诺的来做这个的技术是强引力透镜。

图显示来自遥远星系的光被晕和地球之间的暗的暗物质晕透镜。. (Image credit: Robert Lea (created with Canva))

引力透镜是由阿尔伯特·爱因斯坦在他1915年的引力理论也被称为广义相对论中首次提出的一种现象。这个范式转换理论提出有质量天体弯曲空时的织造（空间和时间的四维统一）。

当来自背景光源的光通过这个曲率和质量天体或者引力透镜时它的路径是弯曲的，曲率的程度铰在光通过到质量多近上。这意味着来自单一光源的光能在不同的时间到达我们的仪器，从而在它的信号中变得被放大，甚至造成该背景光源出现在同一图像中的多个地方。

暗的暗物质晕可能是看不见的，但甚至在它们中心没有星系它们仍然有质量，这意味着它们仍然能作为一个引力透镜。不能被与可见物质相关的透镜效应因此可能倾向天文学家一个没有星系暗物质晕的存在。

纳德勒说，“来自詹姆斯·韦伯太空望远镜的引力透镜数据刚刚变得对大约1000万个太阳质量晕敏感的，像鲁宾天文台这样的新设施将发现数千个新的强透镜。我希望一个这些天体的坚定检测本十年是可能的”。

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这些发现要紧的，因为存在或不存在低于纳德勒恒星形成质量极限的暗物质晕可以帮助科学家区分不同的暗物质模型之间，包括宇宙学的标准模型或宇宙常数冷暗物质模型，这是目前宇宙学模型中的黄金标准。

纳德勒总结道，“如果它们不存在那也会是非常有趣的，因为这意味标准的“冷”暗物质模型的小晕的丰度的预测是不正确的，而且暗物质可能反而在亚星系尺度上不同的行为，就像在温暖、模糊或自我相互作用的暗物质等替代模型中一样。映射出那个晕确实宿主星系表明它们如何形成恒星，这是星系形成理论中的一个基本问题”。

纳德勒的研究星期二（4月14日）发表于The Astrophysical Journal Letters。