模拟与观测的10倍差距,带来暗物质的新问题

作者: Maxi

来源: 原理

发布日期: 2020-10-23

科学家们发现,实际星系团中高密度暗物质团块的数量远多于计算机模拟的结果,这可能暗示着我们对暗物质的了解存在偏差。

据科学家的计算,可观测宇宙的直径大约为930亿光年,其中包含了至少两万亿个星系。我们地球所处的银河系有上千亿个恒星,大部分恒星可能都有各自的行星系统,恒星之间还有大量的气体和尘埃。但是,看似如此庞大的数量对整个宇宙而言不过是很小的一部分。最新计算表明,物质约占宇宙总质量和能量的31%。我们可见的这些构成行星、恒星、星系的常规物质又仅仅占到了总物质的20%,而剩下的80%是未知的、无法看见的暗物质。

在我们“已知”的宇宙中,所有星系以及其中的恒星和行星等物质都由重子构成。重子是一种由三个夸克构成的复合粒子,质子和中子就是我们最熟悉的重子。暗物质则不同,它并不是由重子构成的,一些研究推测,它很可能是由粒子物理标准模型之外的新粒子构成。上世纪70年代,美国天文学家薇拉·鲁宾观测研究大量星系自转曲线,发现星系外围的旋转速度远超过预期。

她由此推断,存在大量看不见的物质在为星系提供质量,才能维持它们如此高速的旋转。这一发现成了暗物质存在的重要线索,也是暗物质这一研究领域的里程碑之一。

在现代天文学研究中,科学家们会利用引力透镜对暗物质进行探测。根据爱因斯坦的广义相对论,质量会使空间弯曲,从空间中经过的光便也会发生偏折。假如我们需要观测一个十分遥远的星系,但由于望远镜的能力有限,可能很难完成。

但如果存在一个质量很大的星系团,正好位于地球和遥远星系之间,这一星系团的巨大质量会使空间弯曲,光线就会像经过一个凸透镜一样发生偏折。于是,从地球上进行观测时,遥远星系看上去就会比它的实际大小更大,也更便于观测研究。

在Science上刊登的一项新研究中,意大利博洛尼亚天体物理与空间科学天文台的Massimo Meneghetti等天文学家,有了关于引力透镜和暗物质的新发现。

研究人员认为,聚集在星系团内部区域的暗物质可以导致嵌在整个大型引力透镜中的小型引力透镜效应。当这些小型引力透镜足够多且足够密集的时候,就可能导致更强的引力透镜效果,这一现象被称为星系-星系强引力透镜(GGSL)。基于ΛCDM的计算机模拟表明,GGLS现象应当比较少见,平均每10个星系团中才有一个星系团出现GGLS现象。

然而,研究人员在分析了哈勃望远镜和智利甚大望远镜的观测数据后发现,在11个星系团中竟出现了13例GGSL现象,也就是说,观测结果与计算机模拟结果相差了10倍多。这似乎暗示着,实际星系团中高密度暗物质团块要远多于计算机模拟的结果。

随后,研究人员又进行了一些测试来研究这一偏差的来源。

在原先的模拟中存在一项能量反馈,这一反馈可以抑制星系团内部恒星的产生,降低星系团内部暗物质的密度,从而使引力透镜效果变弱。在其中一项测试中,研究人员在进行模拟时取消了一项能量反馈,但依然无法消除模拟与观测结果之间的鸿沟。观测与模拟结果之间的不符有两种解释。一种是,计算机在进行模拟时所使用的方法仍有缺陷,模拟的精准度有限;而另一种则是,目前现代天文学对暗物质本身的性质所做出的假设可能是错误的。

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