暗物质突破允许同时探索三种最受欢迎​​的理论

两个数值模拟预测了类似于我们银河系的银河系周围暗物质的分布。左图假定暗物质在早期宇宙中运动迅速（温暖的暗物质），而右图假定暗物质在缓慢宇宙中运动缓慢（冷暗物质）。温暖的暗物质模型预测，围绕我们银河系的小块暗物质会减少，因此，居住在这些小块暗物质中的卫星星系也会减少。通过测量卫星星系的数量，科学家可以区分这些暗物质模型。（图片来自Bullock＆Boylan-Kolchin，《 2017年天文学与天体物理学年鉴》，基于V.Robles，T.Kelley和B.Bozek的模拟）

对银河系附近的矮星系的观测对三种流行的暗物质理论产生了同时的约束。

由能源部SLAC和费米国家加速器实验室的宇宙学家领导的一组科学家，利用暗黑轨道上的几十个小型，微弱的卫星星系的集合，对暗物质的性质施加了一些最严格的约束。确定什么种类的暗物质可能导致了我们今天看到的星系群。

SLAC和斯坦福大学的Kavli粒子天体物理学与宇宙学研究所（KIPAC）所长Risa Wechsler说，这项新研究不仅对于它能够严格约束暗物质具有重要意义，而且对它可以约束什么也具有重要意义。她说：“我认为真正令人兴奋的一件事是，我们实际上能够同时开始探索三种最受欢迎​​的暗物质理论。”

暗物质占宇宙物质的85％，除了重力以外，它与普通物质的相互作用非常弱。它的影响可以从星系的形状和宇宙的大规模结构中看出，但是没有人确切地确定暗物质是什么。在这项新的研究中，研究人员关注暗物质性质的三种广泛可能性：相对较快移动或“温暖”的暗物质；相对较快的暗物质。另一种形式的“相互作用”暗物质，其质子碰到足以在早期宇宙中被加热的质子，从而对星系的形成产生影响；第三是极轻的粒子，称为“模糊暗物质”，它通过量子力学有效地延伸了数千个光年。

为了测试这些模型，研究人员首先开发了计算机模拟的暗物质及其对围绕较大星系的较密暗物质斑块内相对较小的星系形成的影响。

这项研究的主要作者，斯坦福大学和SLAC的研究生Ethan Nadler说：“最暗淡的星系是我们必须学习的有关暗物质的最有价值的工具之一，因为它们一次对暗物质的几个基本特性都敏感。”例如，如果暗物质运动太快或通过长期与正常物质的相互作用获得了太多能量，则这些星系将不会首先形成。模糊暗物质也是如此，如果将其扩展得足够长，将会消灭具有量子涨落的新生星系。

通过将此类模型与来自暗能量调查和全景调查望远镜与快速响应系统或Pan-STARRS的昏暗矮星系的目录进行比较，研究人员能够对此类事件的可能性设置新的限制。实际上，这些限制足够强大，以至于它们开始限制直接检测实验现在正在探查的相同暗物质可能性，并且借助鲁宾天文台《时空遗产调查》预计在未来几年中获得的新数据流，限制只会越来越严格。

费米实验室和芝加哥大学科学家Alex Drlica-Wagner是暗能量调查的合作者，也是论文的主要作者之一。他说：“看到暗物质问题从许多不同的实验角度受到攻击是令人兴奋的。”“这是DES的一个里程碑式的测量，我非常希望未来的宇宙学调查能够帮助我们深入了解暗物质是什么。”

纳德勒说，“仍然有很多理论工作要做。”一方面，存在许多暗物质模型，包括可以与自身强烈相互作用的拟议形式，研究人员无法确定星系形成的后果。还有其他天文系统，例如恒星流在与暗物质相撞时可能会揭示新的细节。

参考：“银河卫星普查。三，EO Nadler，A。Drlica-Wagner，K。Bechtol，S。Mau，RH Wechsler，V.Gluscevic，K。Boddy，AB Pace，TS Li，M.的《银河系卫星观测对暗物质特性的约束》。 McNanna，AH Riley，J.García-Bellido，Y.-Y。毛·格林，DL·伯克，彼得·B·Ja那，TMC阿伯特，阿奎纳，阿拉姆，安妮斯，阿维拉，布鲁克斯，卡拉斯科·金德，卡拉特罗。Costanzi，LN da Costa，J. Vicente，S. Desai，HT Diehl，P. Doel，S. Everett，AE Evrard，B. Flaugher，J. Frieman，DW Gerdes，D. Gruen，RA Gruendl，J. Gschwend，G.Gutierrez，SR Hinton，K.Honscheid，D.Huterer，DJ James，E.Krause，K.Kuehn，N.Kuropatkin，O.Lahav，MAG Maia，JL Marshall，F.Menanteau，R.Miquel， A. Palmese，F。Paz-Chinchón，AA Plazas，AK Romer，E.Sanchez，V。Scarpine，S.Serrano，I。Sevilla-Noarbe，M.Smith，M.Soares-Santos，E.Suchyta，MEC Swanson ，G.Tarle，DL Tucker，AR Walker，W.Wester（DES合作），2020年7月31日，天体物理学>宇宙学和非银河系天体物理学.arXiv：2008.00022

该研究是《暗能量调查》中的一项共同努力。这项研究得到了美国国家科学基金会研究生奖学金，能源部科学办公室（SLAC）和斯坦福大学的支持。