在三种暗物质情况下的早期星系形成的模拟。在充满冷暗物质的宇宙中，早期星系将首先形成明亮的光晕（最左侧）。如果暗物质是温暖的，星系将首先形成长尾巴状的细丝（中心）。尽管暗纹（最右边）像竖琴的弦一样，模糊的暗物质也会产生类似的细丝。
暗物质可能是酿造宇宙中第一个星系的起始成分。在大爆炸之后不久，暗物质的颗粒将聚集在引力的“晕轮”中，将周围的气体吸引到它们的核心中，随着时间的流逝，它们冷却并凝结成第一个星系。
尽管暗物质被认为是宇宙结构的主干，但科学家们对其性质的了解甚少，因为到目前为止，这些粒子还无法进行探测。
现在，麻省理工学院，普林斯顿大学和剑桥大学的科学家发现，根据暗物质的性质，早期的宇宙和最初的星系看起来将有很大的不同。该团队首次模拟了如果暗物质是“模糊的”而不是冷的或温暖的，那么早期星系的形成将是什么样子。
在最广为接受的情况下，暗物质是冷的，由缓慢移动的粒子组成，除了引力效应外，它与普通物质没有相互作用。温暖的暗物质被认为是较轻和更快的冷暗物质版本。模糊的暗物质是一个相对较新的概念，它完全不同，它由超轻粒子组成，每个粒子的质量约为电子的八分之一（10-27）（冷的暗物质粒子重得多，比质量大105倍）电子）。
在他们的模拟中，研究人员发现，如果暗物质很冷，那么早期宇宙中的星系将在几乎球形的光环中形成。但是，如果暗物质的性质是模糊的或温暖的，那么早期的宇宙看起来就大不一样了，星系首先形成于尾巴状的细丝中。在模糊的宇宙中，这些细丝会像是竖琴上的星光弦一样呈条纹状。
随着新望远镜的出现，并具有进一步回到早期宇宙的能力，科学家们可能能够从星系形成的模式中推断出暗物质的性质，而暗物质的性质如今已占到了近85％。宇宙是模糊的，而不是冷的或温暖的。
麻省理工学院卡夫里天体物理与空间研究所物理副教授马克·沃格斯伯格说：“早期宇宙中的第一个星系可能阐明了我们今天所拥有的暗物质的类型。”“要么我们看到了这种细丝图案，要么模糊的暗物质似乎是合理的，否则我们就没有了，我们可以将其排除在外。现在，我们有一个执行此操作的蓝图。”
Vogelsberger是今天发表在《 Physical Review Letters》上的论文的合著者之一，该论文的主要作者是普林斯顿大学的Philip Mocz，剑桥大学的Anastasia Fialkov和之前的苏塞克斯大学。
模糊波
尽管尚未直接检测出暗物质，但将暗物质描述为冷的假设已被证明可以成功地描述可观测宇宙的大规模结构。结果，星系形成模型基于暗物质是冷的假设。
Vogelsberger指出：“问题是，冷暗物质的观测与预测之间存在差异。”“例如，如果您观察的是非常小的星系，则这些星系中暗物质的推断分布与理论模型的预测并不完全一致。所以那里很紧张。”
然后，输入研究人员近年来提出的关于暗物质的其他理论，包括温暖和模糊。
暗物质的性质仍然是个谜，菲亚科夫说。“模糊暗物质是由基本物理原理（例如弦论）激发的，因此是一个有趣的暗物质候选者。宇宙结构是验证或排除这类暗物质模型的关键。”
模糊暗物质由非常轻的粒子组成，它们以量子，波状方式而不是作为单个粒子起作用。莫茨说，这种量子的，模糊的性质可能产生了早期的星系，看起来与标准模型对冷暗物质的预测完全不同。
“尽管在宇宙晚期，这些不同的暗物质场景可能会预测出类似的星系形状，但第一个星系却会显着不同，这将为我们提供关于暗物质是什么的线索，”莫茨说。
为了了解寒冷的宇宙和模糊的早期宇宙有何不同，研究人员模拟了一个很小的立方体空间，其大小约为300万光年，并及时向前运行，以了解给定一个星系将如何形成三种暗物质场景中的一种：寒冷，温暖和模糊。
该团队通过假设暗物质的某种分布来开始每个模拟，科学家根据宇宙微波背景的测量来确定暗物质的分布，暗斑是由大爆炸发出并在其爆炸40万年后才被发现的“遗留辐射” 。
Vogelsberger说：“即使在这些早期阶段，暗物质也没有恒定的密度。”“在恒定密度场之上有微小的扰动。”
研究人员能够使用现有算法在冷暗物质和暖暗物质的情况下模拟星系的形成。但是，为了模拟具有量子性质的模糊暗物质，他们需要一种新的方法。
竖琴弦图
研究人员修改了他们对冷暗物质的模拟，使其能够求解两个额外的方程式，以模拟模糊暗物质宇宙中的星系形成。第一个是Schrödinger方程，描述了量子粒子如何充当波，而第二个，泊松方程，描述了该波如何产生密度场或暗物质的分布，以及该分布如何导致重力-最终产生的力拉入物质形成星系。然后，他们将此模拟耦合到一个模型，该模型描述了气体在宇宙中的行为以及响应重力效应而凝结为星系的方式。
在所有这三种情况下，只要密度过大或引力坍塌的暗物质浓度很高，星系就会形成。但是，暗物质的模式是不同的，具体取决于它是冷的，温暖的还是模糊的。
在暗物质较冷的情况下，星系会形成球形光晕以及较小的亚晕。温暖的暗物质在尾巴状的细丝中产生了第一个星系，并且没有亚晕。这可能是由于温暖的暗物质更轻，更快的特性所致，从而使颗粒不太可能粘在较小的亚晕团块中。
与温暖的暗物质相似，模糊的暗物质沿细丝形成恒星。但是随后，量子波效应接管了塑造星系的过程，形成了更多条纹的细丝，就像看不见的竖琴上的弦一样。Vogelsberger说，这种条纹图案是由于干涉引起的，这种干涉是在两个波重叠时发生的。当这种情况发生时，例如在光波中，每个波的波峰和波谷对齐的点会形成较暗的斑点，从而形成明暗区域的交替图案。
在模糊暗物质的情况下，它代替了亮点和暗点，生成了暗物质浓度过高和不足的交替模式。
Vogelsberger解释说：“在这些过密度下，您会受到许多引力的吸引，气体将随之而来，并在某些时候沿这些过密度而不是密度不足的地方形成星系。”“这张照片将在整个早期宇宙中复制。”
该团队正在对由模糊暗物质主导的宇宙中的早期星系看起来是什么样的情况进行更详细的预测。他们的目标是为即将推出的望远镜（例如James Webb太空望远镜）提供地图，这些望远镜可能能够及时回溯以发现最早的星系。如果他们看到丝状星系，例如Mocz，Fialkov，Vogelsberger及其同事所模拟的，那可能是暗物质性质模糊的第一个迹象。
Vogelsberger说：“这是我们可以根据对早期宇宙的观测来提供暗物质性质的观测测试，这将在未来几年中变得可行。”
这项研究部分得到了美国宇航局的支持。
有关此研究的更多信息，请阅读“新的“模糊”暗物质模拟扰乱了有关宇宙构成的常规思维。
参考：Philip Mocz，Anastasia Fialkov，Mark Vogelsberger，Fernando Becerra，Mustafa A. Amin，Sownak Bose，Michael Boylan-Kolchin，Pierre-Henri Chavanis，Lars Hernquist，Lachlan Lancaster，Federico Marinaccici的“模糊宇宙长丝中的第一颗恒星形成结构” ，Victor H.Robles和JesúsZavala，2019年10月2日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.123.141301
