@ 2018.10.30 , 13:00

暗物质可以在宇宙中形成一种奇异的“冷”恒星

在最小的河系周围弥漫的气体尘埃深处,可能潜藏着由暗物质凝聚成的又冷又小的被称之为“玻色星”的液滴。

当然,我们目前连暗物质确切来说是什么都不知道,更别说发现不可见“星星”存在的证据了。但是,如果当前假设成立,一个新的数学模型表明暗物质可能有一些奇怪的相互作用。这个模型是由一组俄罗斯物理学家提出的,他们考虑了假设的暗物质粒子可能在最小的河系气体尘埃环中聚集的方式。

宇宙中百分之八十的质量由我们无法探测到的物质所构成,不管这种物质到底是什么东西,他都无法通过一般的方式同正常物质发生反应,例如无法通过电磁场来交换光子。暗物质存在的唯一标志就是它增加了宇宙中星系的集聚。不过,星系的集聚并不是小玩意儿,这种看不见的引力标的已经被详细的测绘出来,并为我们提供了了解其性质的关键信息。

由于暗物质对河系有着明显的吸引力,我们可以假设构成暗物质的物质速度不足以使其逃逸河系的引力进入宇宙中的大空隙。暗物质现有的移动速度肯定是相对缓慢的。构成这种相对运动较慢的暗物质的候选粒子之一是一种假设存在的被称之为轴子(一种假设的亚原子粒子)的粒子。轴子是一种玻色子,和光子没有太大的差别,轴子是为了解决量子物理学中另一个令人困惑的悖论而被提出的。

为了解释暗物质对星系以及星系际介质产生的影响,科学家提出了“模糊暗物质”理论和“冷暗物质”理论。“冷暗物质”理论的历史较短,可追溯到上世纪80年代,是当前的暗物质标准模型。根据这一理论,暗物质由质量相对较大但移动速度较慢的粒子构成,交互作用较弱。

另一种假设是模糊暗物质。它是另一种玻色子,是为解决天体物理学中有关暗物质在河系气体尘埃环中分布的困境而提出的。

“模糊暗物质”理论是一项较新的理论,弥补了冷暗物质理论存在的缺陷。根据这一理论,暗物质由超轻粒子构成,而不是重粒子。对于宇宙内的很多基本粒子,它们的大范围移动可以用经典牛顿物理学原理加以解释;解释小范围移动(例如亚原子层面)则需要量子力学原理。但对于“模糊暗物质”理论预言的超轻粒子,超大范围移动(例如从星系的一端移动到另一端)同样需要借助量子力学原理。

这两种假设的粒子目前为止还没有证据显示其的确存在,但是如果这两种粒子有一种存在,那么在特定条件下他们会发生一些有趣的事情。作者声称该模型是第一次来关注例如像暗物质这样的冷凝聚态物质形成中的动力学信息。

玻色–爱因斯坦凝聚态,是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态。当温度下降到刚好高于绝对零度时,粒子停止热运动,失去它们的个体特征,所有粒子几乎具有相同的物理性质。

以往的尝试一直在探寻当玻色子已经聚集成玻色-爱因斯坦凝聚态时会发生什么,比如在一个年幼的宇宙中。在这种情况下,他们由玻色子的相互作用作为开始。“而我们从一个具有最大化混合的病毒化状态开始,这与玻色-爱因斯坦凝聚体相反,”Levkov说。

经过很长一段时间,10万倍于粒子穿越模拟场所需的时间,这些粒子开始自发形成冷凝物,在重力的作用下,冷凝物立即形成球状液滴,即“玻色星”。实际上,“暗”玻色子的粒子云变成了同一种粒子。不仅如此,物理学家们已经计算出,在重力作用下,玻色子云团可以聚集在一起,形成一个球——一颗“玻色星”。这些假设物体的条件需要相当苛刻,例如集中在矮星系周围相对较小的环晕中。即使是这样,在已知宇宙的漫长发展时间中,它仍然是一个缓慢的过程。

尽管这些“如果”的场景听起来非常的科幻,但这些假设的场景对我们寻找整个暗物质谜团的线索的界限有很好的改善。Levkov说:“下一个阶段是预测宇宙中“玻色星”的数量,并用暗物质模型计算它们的质量。

总有一天,我们会掌握这些幽灵物质的性质,当我们做到的时候,我们肯定能在广袤的宇宙中发现许多令人着迷的新物质结构形态。

研究结果发表在Physical Review Letters.

本文译自 sciencealert ,由译者 利维坦 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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