日本、德国和奥地利的研究人员在一项新研究中称，暗物质粒子只有在遇到合适的能量时才会相互散射。他们的想法有助于解释为什么从最小到最大的星系都有它们自己的形状。暗物质是一种神秘而未知的物质形式，它占据了今天宇宙中80%以上的物质。它的性质未知，但是物理学家相信它的引力是恒星和星系形成的原因，正是这些形成了我们的存在。暗物质实际上是我们的母亲，是她生下了我们所有人。但我们还没见过她，不知怎么的，我们一出生就分开了。加州大学伯克利分校的教授，也是宇宙物理和数学Kavli研究所的首席研究员，论文作者Hitoshi Murayama说：她是谁？这是我们想知道的问题。
博科园-科学科谱：天文学家已经发现暗物质并不像计算机模拟显示的那样聚集在一起。如果引力是驱动暗物质的唯一力量，只是拉力而不是推力，那么暗物质就会变得非常密集，向星系中心靠近。然而，特别是在被称为矮球状体的微弱的小星系中，暗物质似乎并不像预期的那样向星系中心聚集。如果暗物质像台球一样向自身散射，允许粒子在碰撞后更均匀地扩散，这个难题就可以解决了。但是这个想法的一个问题是暗物质似乎确实聚集在更大系统中，比如星系团。是什么使得矮球体和星系团之间的暗物质表现不同？一个国际研究小组开发出一种解释，可以解开这个谜题，并揭示暗物质是什么。
天文学家观察到，暗物质在小星系中似乎不怎么聚集，但在大星系(如星系团)中，它们的密度会急剧上升。为什么不同的系统表现不同，这一直是个谜。图片：Kavli IPMU - Kavli IPMU modified this figure based on the image credited by NASA, STScI
中国物理学家、奥地利科学院博士后朱晓永表示：如果暗物质相互散射的速度很低，但非常特殊，它经常发生在矮球状体中，在那里它移动缓慢，但在快速移动的星系团中却很罕见，它需要引起共鸣。共振是一种常见的现象——在玻璃杯中旋转葡萄酒，使其暴露在氧气中并产生更多的香气，这需要以完全正确的速度旋转玻璃杯。旧模拟收音机必须调到正确的频率。这些都是共振的例子，研究小组怀疑共振可以解释暗物质之谜。据我们所知，这是对这个谜题最简单的解释。我们很兴奋，因为我们可能很快就会知道暗物质是什么。
当两个暗物质粒子相互靠近时，就会倾向于简单地通过对方。图片：Kavli IPMU
然而，研究小组不相信这样一个简单的想法能够正确解释这些数据。德国德国电子同步加速器(DESY)的博士后研究员，哥伦比亚科学家卡米洛·加西亚·鲁尔说：首先，我们对这个想法能否解释观测数据持怀疑态度。研究小组相信暗物质能够准确地击中目标并非偶然，自然界中还有许多其他系统也发生过类似的事故：在恒星中，阿尔法粒子撞击铍的共振，铍又撞击碳的共振，产生了构成地球生命的物质。类似的过程也发生在一个叫做的亚原子粒子上。这也可能是一个信号，表明世界比我们看到的更广阔。如果一个粒子在额外维度运动，它就有能量。
但当它们以一种特殊速度出现时，它们会产生“共振”，并在短时间内相互粘在一起，然后向不同的方向移动，导致它们分散开来。这样，暗物质就可以扩散开来，这样我们就可以理解小星系中平滑的轮廓。图片：Kavli IPMU
对于没有看到额外维度的人类，我们认为能量实际上是质量，这要归功于爱因斯坦的E=mc2。也许一些粒子在额外维度移动速度是它的两倍，这使得它的质量恰好是暗物质质量的两倍。研究小组的下一步将是寻找支持他们理论的观测数据。如果这是真的，未来对不同星系的更详细观测将揭示暗物质散射确实依赖于它的速度。这台价值8000万美元的仪器将安装在夏威夷大岛莫纳克亚山顶的斯巴鲁望远镜上，能够测量矮球体中数千颗恒星的速度。该小组的论文于2月22日在《物理评论快报》上发表。
利用共振的思想，这个图表明我们可以同时解释所有的系统。图片：Xiaoyong Chu, Camilo Garcia Cely, Hitoshi Murayama
博科园-科学科普｜研究/来自:卡夫利宇宙物理与数学研究所
参考期刊文献:《Physical Review Letters》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.071103
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