科学通报 | “质量分层”的自相互作用暗物质如何重塑宇宙结构|宇宙线起源|宇宙结构|引力|星系|暗物质|科学通报|粒子|自相互作用|质量分层

人们常感慨银河的浩瀚, 然而这些能看到的璀璨景象只占宇宙总质量的一小部分. 支撑起星系“骨架”的, 是一种看不见, 仅通过引力影响星系运动的神秘成分: 暗物质. 正是由于它的存在, 星系才能高速旋转而不散架, 遥远星系发出的光也才会被弯曲成奇妙的引力透镜图像. 图1 展示了宇宙学模拟当中暗物质的投影密度分布. 其中红色的临界曲线表示引力透镜效应最强的边界, 靠近它时背景天体会被极度放大并拉成长弧. 本文将介绍中国科学院紫金山天文台团队近期在该方面取得的一项进展 [1] .

图 1 双成分自相互作用暗物质模型中暗物质投影密度分布及其引起的强透镜临界曲线

过去几十年中, 以冷暗物质和暗能量为基础的宇宙学模型成功解释了宇宙大尺度结构的形成, 被视为标准模型. 然而, 当观测的“放大镜”对准星系内部和更精细的结构时, 一些新的挑战逐渐显现.

随着天文观测分辨率的不断提高, 科学家开始关注星系内部, 尤其是质量较小的矮星系. 结果发现, 一些矮星系中心的物质分布异常“平坦”. 其密度并未像冷暗物质模型所预测的那样在中心急剧升高, 而是形成了一个近似恒定密度的“核心” [2] . 近来, 中国科学技术大学团队关于矮星系成团性的研究进一步指出, 这些核心的大小似乎与星系的形成时间相关: 形成得越早, 核心往往越大 [3] . 这一趋势难以用冷暗物质解释, 却恰好符合一种具有自相互作用的暗物质所给出的预言 [4] .

然而, 在另一些观测中, 暗物质却呈现出几乎相反的面貌. 在强引力透镜系统中, 研究人员通过背景星系图像的扭曲, 间接探测到一些致密的暗物质结构. 第一类证据来自所谓的强透镜扰动体: 它们通常质量较低, 包含少许甚至不含恒星, 却足够致密且能显著改变透镜像的形状或亮度 [ 5 ~ 7 ] . 对这些系统的重建结果表明, 其中心暗物质分布异常致密, 远超冷暗物质模型的预期 [ 8 , 9 ] . 第二类证据则来自星系-星系强透镜的统计研究. 这些透镜事件主要由星系团中的矮星系及暗物质晕贡献. 观测发现, 这类小尺度透镜的数量明显多于理论预测, 暗示这些系统的中心质量分布比预期更加集中 [10] .

于是, 一个长期困扰天体物理学家的问题浮现: 为何在一些矮星系中, 暗物质显得过于“松散”, 而在强引力透镜中, 它又显得异常“紧凑”? 更耐人寻味的是, 矮星系成团性与星系-星系强透镜这两类现象所对应的暗晕质量相差并不悬殊. 什么样的理论框架才能调和“核心化的矮星系”和“高度致密的透镜结构”呢?

为了解释这些小尺度上的挑战, 科学家提出: 暗物质粒子之间, 或许可以发生以弹性散射为主的碰撞. 由于没有能量耗散, 它们不会让暗物质像气体那样冷却并形成致密结构, 亦不会破坏宇宙的大尺度结构, 仅在小尺度上改变暗物质的运动状态和密度分布 [ 11 , 12 ] . 该模型的一个重要优势在于, 散射所引起的暗晕引力热演化(即通过粒子间散射在引力束缚下重新分配动能并驱动内外区域的能量交换)既能形成平坦的核心结构, 也能形成致密的尖峰结构. 模型的速度依赖和暗晕结构耦合, 可以用来缓解冷暗物质模型在矮星系尺度上的部分困难 [13] .

然而, 如果暗物质只有单一成分, 要形成足够致密的核心往往需要很强的相互作用. 此外, 中心暗晕变尖本身并不一定意味着该区域质量或爱因斯坦半径的增加. 这使得单组分自相互作用暗物质模型难以同时兼顾矮星系结构、强引力透镜扰动体以及透镜统计等多方面的观测约束.

近期, 中国科学院紫金山天文台的研究团队提出: 暗物质可能并非由单一粒子组成, 而是至少包含不同质量的多种成分. 在这一模型中, 暗物质至少包括较重和较轻两类粒子, 它们不仅通过引力相互作用, 还可以发生直接的散射碰撞. 这种多成分结构在物理上并不陌生, 普通物质世界正是由质量差异巨大的粒子共同构成的. 关键在于, 当不同质量的暗物质粒子能够发生碰撞时, 一种重要的动力学过程会自然出现: 质量分层.

质量分层是一种在引力系统中普遍存在的现象. 例如在球状星团中, 质量较大的恒星会通过能量交换逐渐向中心沉降, 而较轻的恒星则更容易分布在外层. 研究人员发现, 在双成分自相互作用暗物质模型中, 也会发生类似的过程: 较重的暗物质粒子在碰撞中逐渐向引力势阱中心聚集, 而较轻的粒子则倾向于向外扩散. 这一长期演化的质量分层过程重塑了暗晕的引力热演化, 使演化整体加快的同时, 核心区域的质量得以增强, 并在相当一部分暗晕中仍保持平坦的核心结构. 正是这一机制, 为理解暗物质在不同环境中的多样表现提供了新的物理基础.

将质量分层与引力热演化机制引入到暗晕的结构形成中, 本身就是一项跨学科且具有技术挑战的任务. 相关暗晕的质量范围从矮星系延伸到星系团, 跨越超过6个数量级, 不同尺度下的形成历史、环境效应以及主导物理过程均存在显著差异. 为此, 研究团队不仅开展了双成分自相互作用暗物质的高分辨率数值模拟, 还在此基础上发掘了条件普适性规律, 并基于此拓展了单组分自相互作用暗晕的参数化模型及其透镜效应的解析计算 [ 14 , 15 ] , 用于描述低质量双成分暗晕的长期演化. 通过将数值模拟与解析建模相结合, 该研究在保留关键物理机制的同时, 实现了对不同质量尺度和演化阶段暗晕结构变化的统一刻画.

在此框架下, 质量分层效应在不同尺度和环境中, 自然呈现出三种彼此关联的观测结果. 在矮星系中, 自相互作用使暗晕形成平坦的核心结构, 而质量分层效应则倾向于提高核心区域的物质聚集效率. 在重子引力势的共同作用下, 暗晕可以在核心逐渐变大的同时, 中心密度并不降低, 甚至随时间有所增强, 从而兼容强透镜的观测. 在强引力透镜扰动体中, 质量分层会加速暗晕向致密状态演化, 使少数暗物质子结构异常紧凑, 从而产生显著的透镜扰动信号. 值得注意的是, 北京师范大学团队的研究表明, 单成分自相互作用模型需要 100 cm2/g 的单位质量截面才能解释观测 [8] , 而在质量分层模型中, 所需数值可降低为原来的1/50. 在星系团环境的统计层面, 质量分层增强了子结构在透镜相关尺度上的内区质量, 使其更容易达到形成小尺度强引力透镜所需的条件, 从而提高了星系-星系强透镜事件的整体发生概率. 图2 对比了冷暗物质模型(a)和双成分自相互作用暗物质模型(b)所预言的焦散线结构. 焦散线是临界曲线在源平面的映射, 对应透镜放大率发散的位置, 其邻域内的源会产生强放大和多像结构. 一般来说, 闭合焦散线越多、范围越大, 意味着能够产生强放大的区域越广, 从而更容易形成显著的透镜现象. 可以看出, 双组分模型对应的透镜效应明显更强.

图 2 冷暗物质模型(a)和双成分自相互作用暗物质模型(b)预言的焦散线对比. 闭合焦散线的数量越多、尺度越大, 越容易产生强透镜现象 [1]

这项研究传递出一个重要信息: 来自不同尺度的观测线索正指向一点: 暗物质或具有更丰富的内部组分. 如果暗物质确实由多种成分构成, 那么它在不同环境中的表现可以自然地从同一套动力学过程中涌现出来. 也许正是这些看似彼此矛盾、却在统一框架下相互呼应的宇宙现象, 正在引领我们逐步接近暗物质的真实面貌.

该研究是中国科学院紫金山天文台研究团队在双成分自相互作用暗物质方向上的第二项工作, 相关成果近日发表于 Science Bulletin . 在此前的一项研究中, 该研究团队系统分析了质量分层效应对矮星系核心密度分布多样性的影响, 相关成果已发表在 Physical Review D [16] . 中国科学院紫金山天文台是中国暗物质研究的重要机构之一, 在暗物质间接探测领域承担了以“悟空号”为依托的国家研究任务, 并长期开展天体物理与宇宙学相关研究, 在暗物质、星系演化等领域亦有重要影响.

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