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在银河系最古老的恒星之间追寻暗物质

作者: 来源:科普时报 添加时间:2018-02-02 浏览次数:40

地球周围的暗物质究竟以什么速度在涌动?确定暗物质的运动速度将对现代天体物理学研究产生极为深远的影响,数年以来,这一基本性质对研究者们来说都是个谜。但现在,他们找到了第一条线索:这个谜团的答案就藏在银河系里那些最古老的恒星之中。

暗物质的运动速度一直以来都是未知,不过在1月22日出版的Physical Review Letters上刊登了一篇论文,一支国际研究小组找到了解决这个谜团的线索。

普林斯顿大学物理系的教授助理Mariangela Lisanti说:“本质上讲,这些古老的恒星可以被用来测量地球附近暗物质的速率分布,它们就像是暗物质可见的速度表。你可以把这些古老的恒星理解为暗物质的发光示踪计。我们永远无法观测到暗物质,因为它不在任何可观察范围内发光,对我们来说,它就是完全隐形的,这也是为什么我们目前无法确定它的任何性质?!?

为了确定哪些恒星的运动与隐形的暗物质相似,Lisanti和她的同伴们借助于电脑模拟,另一位小组成员Eris利用超级电脑模拟整个银河系的物理运行,包括暗物质。

“我们的推测是出于某种原因,一些恒星团的运动会与暗物质的运动相匹配?!盝onah Herzog-Arbeitman说到。他是Lisanti的同事之一,也是这篇研究论文的合作作者。

加州理工大学的Herzog-Arbeitman和Lina Necib也是这篇论文的共同作者,他们利用Eris的电脑模拟数据绘制了许多图表,比较了暗物质和不同恒星团的各方面性质。

他们在比较暗物质和不同金属丰度恒星的运动速度时取得了突破。所谓“金属丰度”就是恒星中重金属元素和轻元素所占的比重。

代表暗物质的曲线和重金属比例最低的恒星的曲线完美地匹配在了一起?!耙磺芯拖穸恿幸谎??!盠isanti说。

数十年以来,天文学家都知道金属丰度可以代表一个恒星的年龄,因为金属和其他重金属元素形成了超新星和中子星,所以恒星的年龄越大,其金属含量就越低,一般来说那些与银河系合并的小型星系的重金属含量会相对更低。

“追溯起源,发现暗物质和老龄恒星之间的联系并不令人感到意外,”Necib说:“暗物质和这些大龄恒星有着相同的初始条件:它们诞生于同样的地点,拥有相同的性质,所以到最后两者都只受引力作用是理所当然的?!?

自2009年以来,研究者们一直在把高密度的物质(通常是氙)深埋到地下,等待穿过地球的暗物质与之相互作用,从而试图进行直接的观测。Lisanti把这种直接探测的实验比作台球游戏:“当一个暗物质粒子散射到一个原子的原子核上时,就像两个台球相撞,如果暗物质粒子的质量远远低于原子核的话,原子核在碰撞后几乎不会移动,这就使得观测变得异常困难?!?

她解释道:“这就是为什么确定暗物质的速度区间非常重要,如果暗物质粒子又慢又轻,那么它们可能没有足够的动量使原子核移动,即使它们正中靶心?!?

“但如果暗物质粒子拥有很高的速度,它们就具有更高的动能。这便会增加它们撞击后使原子核产生更大反冲的可能性,从而使我们观测到?!盠isanti说。

原本科学家们期待能观测到足够多的粒子相互作用,足够多的“台球”被撞开。但Lisanti说:“我们目前还没观测到任何东西?!?

因此,相对于直接观察来测定速度的方法,Lisanti和她的研究小组背道而驰,尝试用速度本身去解释为什么直接观测的实验没有任何结果。

“这个实验目前暂时性的失败引出了两个问题,”Lisanti说:“我们到底如何测定暗物质粒子的速度,以及,我们之所以没有获得任何观测结果,是否因为其速率分布中有某些我们没有考虑到的因素?!?

她表示使用一种完全独立自主的方式去研究暗物质的速度可以帮助消除那两个疑问,但目前为止,一切都是理论上的。现实中的天文观测还远远赶不上Eris电脑模拟出来的丰富数据,所以Lisanti和她的研究小组还不知道银河系中那些古老的恒星是以什么速度运行的。

好消息是,这份电脑模拟的数据信息正在被上传至欧洲航天局的盖亚天文望远镜中,该望远镜自2014年7月起开始观测银河系。目前,一小部分恒星团的数据已经上传完毕,但数据总量十分庞大,包括了近十亿颗恒星。

“即将到来的丰富数据和星际测量研究将为我们提供一个独特的机会去理解暗物质的性质和本质?!盠isanti说。 (吴桐 编译)


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