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新的暗物质理论解释了天体物理学中的两个难题
暗物质被认为占据了宇宙物质的85%，它是不发光的，其本质还不清楚。普通物质能够吸收、反射和发射光，而暗物质不能直接被看到，这使得它更难被探测。有一种理论叫做“自相互作用暗物质”或SIDM，它提出暗物质粒子通过一种暗力自我相互作用，它们在银河中心附近强烈地相互碰撞。
在《天体物理学杂志快报》上发表的一项研究中，由加州大学河滨分校的物理和天文学教授Hai-Bo Yu领导的一个研究团队报告说，SIDM可以同时解释两个处于两个极端的天体物理学难题。
“第一个是一个大质量椭圆星系中的高密度暗物质晕，”Yu说。“这个晕是通过观测强引力透镜效应来探测的，它的密度是如此之高，以至于在占主导地位的冷暗物质理论中极不可能出现。第二个是超扩散星系的暗物质晕具有极低的密度，它们很难用冷暗物质理论来解释。”
暗物质晕是一种无形的物质，它渗透并包围着一个星系或一个星系团。引力透镜效应发生在从遥远的星系穿越宇宙的光绕着巨大的物体弯曲时。冷暗物质或CDM范式/理论假设暗物质粒子是无碰撞的。正如它们的名字所暗示的，超扩散星系具有极低的亮度，它们的恒星和气体的分布是分散的。
Yu在这项研究中与Ethan Nadler，卡内基天文台和南加州大学的联合博士后，以及UCR的博士后学者Daneng Yang合作。
为了证明SIDM可以解释这两个天体物理学难题，该团队进行了第一次具有强暗物质自相互作用的宇宙结构形成的高分辨率模拟，这些模拟涉及了强引力透镜晕和超扩散星系的相关质量尺度。
“这些自相互作用导致了晕中的热传递，这使得星系中心区域的晕密度多样化，”Nadler说。“换句话说，一些晕具有更高的中心密度，而另一些晕具有更低的中心密度，与它们的CDM对应物相比，具体的细节取决于个别晕的宇宙演化历史和环境。”
根据该团队的说法，这两个难题对标准的CDM范式构成了巨大的挑战。
“CDM很难解释这些难题，”Yang说。“SIDM可以说是一个令人信服的候选者，来调和这两个相反的极端。文献中没有其他的解释。现在有一个有趣的可能性，那就是暗物质可能比我们预期的更复杂和活跃。”
这项研究也展示了通过天体物理学观测探测暗物质的力量，它使用了宇宙结构形成的计算机模拟的工具。
“我们希望我们的工作能够鼓励在这个有前途的研究领域进行更多的研究，”Yu说。“这将是一个特别及时的发展，考虑到从天文观测台在不久的将来预期的数据的涌入，包括詹姆斯·韦伯太空望远镜和即将到来的鲁宾天文台。”
自从2009年左右，Yu和合作者的工作帮助了在粒子物理学和天体物理学的社区中推广了SIDM。