科學通報 | “質量分層”的自相互作用暗物質如何重塑宇宙結構

人們常感慨銀河的浩瀚, 然而這些能看到的璀璨景象只占宇宙總質量的一小部分. 支撐起星系“骨架”的, 是一種看不見, 僅通過引力影響星系運動的神秘成分: 暗物質. 正是由于它的存在, 星系才能高速旋轉而不散架, 遙遠星系發出的光也才會被彎曲成奇妙的引力透鏡圖像. 圖1 展示了宇宙學模擬當中暗物質的投影密度分布. 其中紅色的臨界曲線表示引力透鏡效應最強的邊界, 靠近它時背景天體會被極度放大并拉成長弧. 本文將介紹中國科學院紫金山天文臺團隊近期在該方面取得的一項進展 [1] .

圖 1 雙成分自相互作用暗物質模型中暗物質投影密度分布及其引起的強透鏡臨界曲線

過去幾十年中, 以冷暗物質和暗能量為基礎的宇宙學模型成功解釋了宇宙大尺度結構的形成, 被視為標準模型. 然而, 當觀測的“放大鏡”對準星系內部和更精細的結構時, 一些新的挑戰逐漸顯現.

隨著天文觀測分辨率的不斷提高, 科學家開始關注星系內部, 尤其是質量較小的矮星系. 結果發現, 一些矮星系中心的物質分布異常“平坦”. 其密度并未像冷暗物質模型所預測的那樣在中心急劇升高, 而是形成了一個近似恒定密度的“核心” [2] . 近來, 中國科學技術大學團隊關于矮星系成團性的研究進一步指出, 這些核心的大小似乎與星系的形成時間相關: 形成得越早, 核心往往越大 [3] . 這一趨勢難以用冷暗物質解釋, 卻恰好符合一種具有自相互作用的暗物質所給出的預言 [4] .

然而, 在另一些觀測中, 暗物質卻呈現出幾乎相反的面貌. 在強引力透鏡系統中, 研究人員通過背景星系圖像的扭曲, 間接探測到一些致密的暗物質結構. 第一類證據來自所謂的強透鏡擾動體: 它們通常質量較低, 包含少許甚至不含恒星, 卻足夠致密且能顯著改變透鏡像的形狀或亮度 [ 5 ~ 7 ] . 對這些系統的重建結果表明, 其中心暗物質分布異常致密, 遠超冷暗物質模型的預期 [ 8 , 9 ] . 第二類證據則來自星系-星系強透鏡的統計研究. 這些透鏡事件主要由星系團中的矮星系及暗物質暈貢獻. 觀測發現, 這類小尺度透鏡的數量明顯多于理論預測, 暗示這些系統的中心質量分布比預期更加集中 [10] .

于是, 一個長期困擾天體物理學家的問題浮現: 為何在一些矮星系中, 暗物質顯得過于“松散”, 而在強引力透鏡中, 它又顯得異常“緊湊”? 更耐人尋味的是, 矮星系成團性與星系-星系強透鏡這兩類現象所對應的暗暈質量相差并不懸殊. 什么樣的理論框架才能調和“核心化的矮星系”和“高度致密的透鏡結構”呢?

為了解釋這些小尺度上的挑戰, 科學家提出: 暗物質粒子之間, 或許可以發生以彈性散射為主的碰撞. 由于沒有能量耗散, 它們不會讓暗物質像氣體那樣冷卻并形成致密結構, 亦不會破壞宇宙的大尺度結構, 僅在小尺度上改變暗物質的運動狀態和密度分布 [ 11 , 12 ] . 該模型的一個重要優勢在于, 散射所引起的暗暈引力熱演化(即通過粒子間散射在引力束縛下重新分配動能并驅動內外區域的能量交換)既能形成平坦的核心結構, 也能形成致密的尖峰結構. 模型的速度依賴和暗暈結構耦合, 可以用來緩解冷暗物質模型在矮星系尺度上的部分困難 [13] .

然而, 如果暗物質只有單一成分, 要形成足夠致密的核心往往需要很強的相互作用. 此外, 中心暗暈變尖本身并不一定意味著該區域質量或愛因斯坦半徑的增加. 這使得單組分自相互作用暗物質模型難以同時兼顧矮星系結構、強引力透鏡擾動體以及透鏡統計等多方面的觀測約束.

近期, 中國科學院紫金山天文臺的研究團隊提出: 暗物質可能并非由單一粒子組成, 而是至少包含不同質量的多種成分. 在這一模型中, 暗物質至少包括較重和較輕兩類粒子, 它們不僅通過引力相互作用, 還可以發生直接的散射碰撞. 這種多成分結構在物理上并不陌生, 普通物質世界正是由質量差異巨大的粒子共同構成的. 關鍵在于, 當不同質量的暗物質粒子能夠發生碰撞時, 一種重要的動力學過程會自然出現: 質量分層.

質量分層是一種在引力系統中普遍存在的現象. 例如在球狀星團中, 質量較大的恒星會通過能量交換逐漸向中心沉降, 而較輕的恒星則更容易分布在外層. 研究人員發現, 在雙成分自相互作用暗物質模型中, 也會發生類似的過程: 較重的暗物質粒子在碰撞中逐漸向引力勢阱中心聚集, 而較輕的粒子則傾向于向外擴散. 這一長期演化的質量分層過程重塑了暗暈的引力熱演化, 使演化整體加快的同時, 核心區域的質量得以增強, 并在相當一部分暗暈中仍保持平坦的核心結構. 正是這一機制, 為理解暗物質在不同環境中的多樣表現提供了新的物理基礎.

將質量分層與引力熱演化機制引入到暗暈的結構形成中, 本身就是一項跨學科且具有技術挑戰的任務. 相關暗暈的質量范圍從矮星系延伸到星系團, 跨越超過6個數量級, 不同尺度下的形成歷史、環境效應以及主導物理過程均存在顯著差異. 為此, 研究團隊不僅開展了雙成分自相互作用暗物質的高分辨率數值模擬, 還在此基礎上發掘了條件普適性規律, 并基于此拓展了單組分自相互作用暗暈的參數化模型及其透鏡效應的解析計算 [ 14 , 15 ] , 用于描述低質量雙成分暗暈的長期演化. 通過將數值模擬與解析建模相結合, 該研究在保留關鍵物理機制的同時, 實現了對不同質量尺度和演化階段暗暈結構變化的統一刻畫.

在此框架下, 質量分層效應在不同尺度和環境中, 自然呈現出三種彼此關聯的觀測結果. 在矮星系中, 自相互作用使暗暈形成平坦的核心結構, 而質量分層效應則傾向于提高核心區域的物質聚集效率. 在重子引力勢的共同作用下, 暗暈可以在核心逐漸變大的同時, 中心密度并不降低, 甚至隨時間有所增強, 從而兼容強透鏡的觀測. 在強引力透鏡擾動體中, 質量分層會加速暗暈向致密狀態演化, 使少數暗物質子結構異常緊湊, 從而產生顯著的透鏡擾動信號. 值得注意的是, 北京師范大學團隊的研究表明, 單成分自相互作用模型需要 100?cm2/g 的單位質量截面才能解釋觀測 [8] , 而在質量分層模型中, 所需數值可降低為原來的1/50. 在星系團環境的統計層面, 質量分層增強了子結構在透鏡相關尺度上的內區質量, 使其更容易達到形成小尺度強引力透鏡所需的條件, 從而提高了星系-星系強透鏡事件的整體發生概率. 圖2 對比了冷暗物質模型(a)和雙成分自相互作用暗物質模型(b)所預言的焦散線結構. 焦散線是臨界曲線在源平面的映射, 對應透鏡放大率發散的位置, 其鄰域內的源會產生強放大和多像結構. 一般來說, 閉合焦散線越多、范圍越大, 意味著能夠產生強放大的區域越廣, 從而更容易形成顯著的透鏡現象. 可以看出, 雙組分模型對應的透鏡效應明顯更強.

圖 2 冷暗物質模型(a)和雙成分自相互作用暗物質模型(b)預言的焦散線對比. 閉合焦散線的數量越多、尺度越大, 越容易產生強透鏡現象 [1]

這項研究傳遞出一個重要信息: 來自不同尺度的觀測線索正指向一點: 暗物質或具有更豐富的內部組分. 如果暗物質確實由多種成分構成, 那么它在不同環境中的表現可以自然地從同一套動力學過程中涌現出來. 也許正是這些看似彼此矛盾、卻在統一框架下相互呼應的宇宙現象, 正在引領我們逐步接近暗物質的真實面貌.

該研究是中國科學院紫金山天文臺研究團隊在雙成分自相互作用暗物質方向上的第二項工作, 相關成果近日發表于 Science Bulletin . 在此前的一項研究中, 該研究團隊系統分析了質量分層效應對矮星系核心密度分布多樣性的影響, 相關成果已發表在 Physical Review D [16] . 中國科學院紫金山天文臺是中國暗物質研究的重要機構之一, 在暗物質間接探測領域承擔了以“悟空號”為依托的國家研究任務, 并長期開展天體物理與宇宙學相關研究, 在暗物質、星系演化等領域亦有重要影響.

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