天文學家發現暗物質和宇宙團塊之間的新聯系

發表于 2025-12-07 16:53:56 來源：桑間濮上網

斯隆數字巡天所看到的本地宇宙中的星系圖，研究人員用它來測試軸子理論。發現每個點代表一個星系的暗物位置，地球位于地圖的質和之間中間。鳴謝:斯隆數字天空調查
（神秘的宇宙地球uux.cn）據多倫多大學：在今天發表在《宇宙學和天體粒子物理學雜志》上的一項研究中，多倫多大學的聯系研究人員揭示了一項理論突破，這可能解釋了不可見暗物質的天文團塊性質和被稱為宇宙網的宇宙大規模結構。這一結果在天文學中的發現這兩個長期問題之間建立了新的聯系，為理解宇宙開辟了新的暗物可能性。
這項研究表明，質和之間“結塊問題”的宇宙核心是物質在整個宇宙的大尺度上出乎意料的均勻分布，這可能是聯系暗物質由假想的超輕粒子組成的跡象，這種粒子被稱為軸子。天文團塊證明難以探測的發現軸子存在的意義不僅僅在于理解暗物質，還可以解決關于宇宙本身性質的暗物基本問題。
“如果得到未來望遠鏡觀察和實驗室實驗的證實，找到軸子暗物質將是本世紀最重要的發現之一，”多倫多大學文理學院鄧拉普天文和天體物理研究所鄧拉普研究員、主要作者凱爾·羅杰斯說。
“與此同時，我們的結果提出了一種解釋，解釋了為什么宇宙沒有我們想象的那么結塊，這種觀察在過去十年左右的時間里變得越來越清楚，目前讓我們的宇宙理論變得不確定。”
占宇宙質量85%的暗物質是不可見的，因為它不與光相互作用。科學家研究它對可見物質的引力效應，以了解它在宇宙中是如何分布的。
一個領先的理論提出，暗物質是由軸子組成的，由于它們的波動行為，在量子力學中被描述為“模糊的”。與離散的點狀粒子不同，軸子的波長可以比整個星系還要長。這種模糊性影響了暗物質的形成和分布，潛在地解釋了為什么在沒有軸子的宇宙中，宇宙沒有預測的那么擁擠。
在大型星系調查中已經觀察到這種缺乏塊狀的現象，挑戰了另一個流行的理論，即暗物質只由重的，弱相互作用的亞原子粒子WIMPs組成。盡管有大型強子對撞機這樣的實驗，但還沒有發現支持WIMPs存在的證據。
羅杰斯說:“在科學領域，當思想崩潰時，新的發現就會產生，古老的問題就會得到解決。”。
在這項研究中，由羅杰斯領導的研究小組，包括Dunlap研究所副教授renée hlo ek的研究小組成員，以及來自賓夕法尼亞大學、哥倫比亞大學高級研究學院和倫敦大學國王學院的成員，分析了從普朗克2018、阿塔卡馬宇宙學望遠鏡和南極望遠鏡調查中獲得的大爆炸殘余光的觀測結果，稱為宇宙微波背景(CMB)。
天文學家發現暗物質和宇宙團塊之間的新聯系

有軸子和沒有軸子的宇宙截面的計算機模擬顯示了暗物質宇宙網絡結構如果包含軸子是如何減少結塊的。就尺度而言，銀河系將位于一個被稱為光環的小綠點內。鳴謝:亞歷山大·斯潘塞·倫敦/亞歷克斯·拉古。
研究人員將這些CMB數據與來自重子振蕩光譜調查(BOSS)的星系聚類數據進行了比較，BOSS繪制了附近宇宙中大約100萬個星系的位置。通過研究星系的分布(反映了暗物質在引力作用下的行為)，他們測量了整個宇宙中物質數量的波動，并證實了與預測相比，其結塊減少了。
研究人員隨后進行了計算機模擬，以預測殘余光的出現以及在具有長暗物質波的宇宙中星系的分布。這些計算與來自大爆炸的CMB數據和星系聚集數據一致，支持了模糊軸子可以解釋聚集問題的觀點。
未來的研究將涉及大規模調查，以繪制數百萬個星系的地圖，并提供精確的聚集測量，包括未來十年魯賓天文臺的觀測。
研究人員希望將他們的理論與通過引力透鏡對暗物質的直接觀察進行比較，引力透鏡是一種效應，通過它彎曲來自遙遠星系的光的程度來測量暗物質的聚集，類似于一個巨大的放大鏡。他們還計劃調查星系如何將氣體排放到太空中，以及這如何影響暗物質的分布，以進一步證實他們的結果。
天文學家發現暗物質和宇宙團塊之間的新聯系

在塑造宇宙的過程中，重力構建了一個巨大的蛛網狀細絲結構，沿著幾億光年長的看不見的橋梁將星系和星系團聯系在一起。這就是眾所周知的宇宙網。鳴謝:Volker Springel(馬克斯·普朗克天體物理研究所)等。
了解暗物質的性質是最緊迫的基本問題之一，也是了解宇宙起源和未來的關鍵。
目前，科學家還沒有一個理論可以同時解釋重力和量子力學——一個萬物理論。在過去的幾十年中，最流行的萬物理論是弦理論，它提出了量子層次之下的另一個層次，在這個層次中，一切都是由能量的弦狀激發構成的。根據羅杰斯的說法，探測到一個模糊的軸子粒子可能暗示一切弦理論都是正確的。
羅杰斯說:“我們現在擁有的工具可以讓我們最終通過實驗了解關于暗物質百年之謎的一些事情，甚至在未來十年左右——這可能會給我們提供關于更大理論問題答案的線索。”"希望是宇宙中令人困惑的元素是可以解決的。"

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