这就是一个“模糊”宇宙的样子

暗物质很可能是孕育宇宙中第一个星系的起始成分。大爆炸后不久,暗物质粒子会聚集在一起形成引力“晕”,把周围的气体拉进它们的核心,随着时间的推移,核心冷却并凝结成第一个星系。

尽管暗物质被认为是宇宙结构的支柱,但科学家对它的性质知之甚少,因为这些粒子至今仍未被发现。

现在,麻省理工学院普林斯顿大学和剑桥大学的科学家们发现,早期的宇宙和最早的星系,根据暗物质的性质会有很大的不同。这是第一次,研究小组模拟了如果暗物质是“模糊的”而不是冷的或热的,那么早期星系形成的样子。

在最广为接受的假设中,暗物质是冷的,由缓慢移动的粒子组成,除了引力效应之外,它们与普通物质没有相互作用。暖暗物质被认为是冷暗物质的一种稍轻、稍快的版本。而模糊暗物质,一个相对较新的概念,是完全不同的东西,由超轻粒子组成,每一个约为1兆兆分之一(10-27)的电子质量(冷暗物质粒子要重得多——大约是电子的105倍)。

在他们的模拟中,研究人员发现,如果暗物质是冷的,那么早期宇宙中的星系将形成接近球状的晕。但是,如果暗物质的性质是模糊的或温暖的,那么早期的宇宙看起来就会非常不同,星系首先形成的是延伸的、类似尾巴的细丝。在一个模糊的宇宙中,这些细丝会出现条纹,就像竖琴上星光闪烁的琴弦。 

新望远镜上线,能力进一步回早期宇宙,科学家可以推断,从星系形成的模式,暗物质的性质,是否今天占近85%的宇宙中,模糊而非是冷还是热。

麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的物理学副教授Mark Vogelsberger说:“早期宇宙中的第一个星系可能会阐明我们今天所拥有的暗物质类型。”“要么我们看到了这种灯丝模式,模糊暗物质似乎是可信的,要么我们没有,我们可以排除这种模式。我们现在有了实现这一目标的蓝图。”

Vogelsberger是今天发表在《物理评论快报》上的一篇论文的合著者,该论文的主要作者是普林斯顿大学的Philip Mocz,剑桥大学的Anastasia Fialkov以及之前的苏塞克斯大学。

模糊波

虽然暗物质还没有被直接探测到,但将暗物质描述为冷的假说已被证明在描述可观测宇宙的大规模结构方面是成功的。因此,星系形成的模型是建立在暗物质是冷的假设上的。

Vogelsberger指出:“问题是,冷暗物质的观测和预测之间存在一些差异。”“例如,如果你观察非常小的星系,这些星系中暗物质的推断分布与理论模型预测的并不完全一致。所以这里存在紧张局势。”

于是,研究人员近年来提出了暗物质的其他理论,包括温热理论和模糊理论。

“暗物质的性质仍然是一个谜,”Fialkov说。“模糊暗物质是由基础物理,例如,弦理论所激发的,因此是一个有趣的暗物质候选。宇宙结构是证实或排除暗物质模型的关键。”

模糊暗物质是由非常轻的粒子组成的,它们以量子的、类似于波的方式活动,而不是作为单个粒子。莫茨说,这种量子的、模糊的性质可能产生了早期的星系,它们看起来与标准模型预测的冷暗物质完全不同。

莫茨说:“尽管在宇宙晚期,这些不同的暗物质情景可能会预测出星系的相似形状,但第一批星系将会有显著的不同,这将为我们提供关于暗物质是什么的线索。”

看到不同的感冒和早期宇宙模糊,研究人员模拟小,早期宇宙立方的空间,测量直径约300万光年,跑的时候看到暗物质星系形成给定的三个场景:冷,温暖和模糊。

每次模拟开始时,研究小组都假设暗物质的某种分布,科学家们基于对宇宙微波背景的测量得出了一些想法。

“即使在早期,暗物质也没有恒定的密度,”Vogelsberger说。“在恒定密度场的顶部有微小的扰动。”

研究人员能够使用现有的算法来模拟寒冷和温暖的暗物质环境下的星系形成。但是为了模拟具有量子性质的模糊暗物质,他们需要一种新的方法。

一张竖琴琴弦的地图

研究人员修改了他们对冷暗物质的模拟,使其能够解决两个额外的方程,以模拟在一个模糊的暗物质宇宙中星系的形成。第一个是薛定谔方程,描述了量子粒子如何作为波,第二个是泊松方程,描述了波如何产生密度场,或者说暗物质的分布,以及这种分布如何导致引力——最终将物质拉入形成星系的力。然后他们将这个模拟与一个模型结合起来,这个模型描述了宇宙中气体的行为,以及它在引力作用下凝聚成星系的方式。

在所有这三种情况下,星系形成的地方都存在着密度过高的地方,或者引力坍缩的暗物质密度过大的地方。然而,暗物质的模式是不同的,这取决于它是冷的、热的还是模糊的。

在冷暗物质的情况下,星系形成于球状晕和更小的次晕。温暖的暗物质产生了第一个像尾巴一样的丝状星系,没有亚晕。这可能是由于温暖的暗物质更轻、速度更快的特性,使得粒子不太可能以更小的亚晕团块形式存在。

类似于温暖的暗物质,模糊的暗物质沿着细丝形成恒星。但后来量子波效应开始影响星系,星系形成了更多的条纹状细丝,就像无形的竖琴上的琴弦。Vogelsberger说,这种条纹模式是由干涉造成的,当两个波重叠时就会产生这种效应。当这种情况发生时,例如在光波中,每个波的波峰和波谷排列的点形成较暗的点,形成明亮和黑暗区域交替的图案。

在模糊暗物质的情况下,它产生的不是亮点和暗点,而是一种密度过高和密度过低的暗物质交替模式。

Vogelsberger解释说:“在这些密度过高的地方,你会受到很大的引力吸引,气体会随之而来,在某一时刻,会沿着这些密度过高的地方形成星系,而不是密度过低的地方。”“这张照片将在整个早期宇宙中复制。”

研究小组正在对早期星系在由模糊暗物质主导的宇宙中可能的样子进行更详细的预测。他们的目标是为即将到来的望远镜提供一张地图,比如詹姆斯韦伯太空望远镜,它可能能够在足够远的时间看到最早的星系。如果他们看到了由莫茨、菲阿尔科夫、福格尔斯伯格和他们的同事模拟的丝状星系,这可能是暗物质的性质是模糊的第一个迹象。

Vogelsberger说:“基于对早期宇宙的观察,我们可以为暗物质的性质提供这种观察性的检验,这在未来几年将成为可能。”

这项研究部分得到了NASA的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/early-galaxy-fuzzy-universe-simulation-1003

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