天文学家发现暗物质与宇宙团块之间的新联系

在今天发表在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》上的一项研究中，多伦多大学的研究人员揭示了一项理论突破，可以解释不可见暗物质的性质和被称为宇宙网的宇宙大尺度结构。结果在天文学中这两个长期存在的问题之间建立了新的联系，为理解宇宙开辟了新的可能性。

研究表明，“成团问题”集中在整个宇宙中物质在大范围内出乎意料地均匀分布，这可能表明暗物质是由被称为轴子的假设超轻粒子组成的。证明难以检测的轴子存在的意义超出了理解暗物质的范围，并且可以解决有关宇宙本身性质的基本问题。

“如果通过未来的望远镜观测和实验室实验得到证实，发现轴子暗物质将是本世纪最重要的发现之一，”文学院邓拉普天文学与天体物理研究所的主要作者凯尔罗杰斯说。多伦多大学的科学。“与此同时，我们的结果提出了为什么宇宙没有我们想象的那么团块的解释，这一观察在过去十年左右变得越来越清晰，目前使我们的宇宙理论不确定。”

暗物质占宇宙质量的 85%，是不可见的，因为它不与光相互作用。科学家研究它对可见物质的引力影响，以了解它在宇宙中的分布情况。

一个领先的理论提出，暗物质是由轴子构成的，由于它们的波状行为，在量子力学中被描述为“模糊的”。与离散的点状粒子不同，轴子的波长可以大于整个星系。这种模糊性影响暗物质的形成和分布，可能解释了为什么宇宙没有轴子宇宙中预测的那样块状。

在大型星系调查中已经观察到这种团块性的缺乏，挑战了另一个流行的理论，即暗物质仅由称为 WIMP 的重的、弱相互作用的亚原子粒子组成。尽管进行了大型强子对撞机等实验，但仍未找到支持 WIMP 存在的证据。

罗杰斯说：“在科学领域，正是当思想崩溃时，新发现才会出现，古老的问题才会得到解决。”

对于这项研究，研究小组——由罗杰斯领导，包括副教授Renée Hložek的成员邓拉普研究所以及宾夕法尼亚大学、高级研究所、哥伦比亚大学和伦敦国王学院的研究小组分析了大爆炸遗迹光的观测结果，即宇宙微波背景 (CMB)，从普朗克 2018 年、阿塔卡马宇宙学望远镜和南极望远镜调查中获得。研究人员将这些 CMB 数据与来自重子振荡光谱调查 (BOSS) 的星系聚类数据进行了比较，后者绘制了附近宇宙中大约一百万个星系的位置。通过研究反映暗物质在引力作用下行为的星系分布，他们测量了整个宇宙中物质数量的波动，并证实了与预测相比，它的聚集性有所降低。

研究人员随后进行了计算机模拟，以预测遗迹光的出现以及具有长暗物质波的宇宙中星系的分布。这些计算与来自大爆炸的 CMB 数据和星系聚类数据一致，支持模糊轴子可以解释团块问题的观点。

未来的研究将涉及大规模调查，以绘制数百万个星系的地图，并提供对团块度的精确测量，包括未来十年与鲁宾天文台的观测。研究人员希望将他们的理论与通过引力透镜对暗物质的直接观察进行比较，这种效应是通过它使来自遥远星系的光弯曲多少来测量暗物质团块的效果，类似于一个巨大的放大镜。他们还计划研究星系如何将气体排入太空，以及这如何影响暗物质分布，以进一步证实他们的结果。

了解暗物质的性质是最紧迫的基本问题之一，也是了解宇宙起源和未来的关键。

目前，科学家们还没有一个单一的理论可以同时解释引力和量子力学——一个万物理论。在过去的几十年里，最流行的万物理论是弦理论，它在量子水平之下提出了另一个层次，在这个层次上，一切都是由类似弦的能量激发构成的。根据罗杰斯的说法，检测到一个模糊的轴子粒子可能暗示一切的弦理论都是正确的。

罗杰斯说：“我们现在拥有的工具可以让我们最终通过实验了解暗物质这个百年之谜，甚至在未来十年左右的时间里——这可以为我们提供有关更大理论问题答案的线索。” . “希望宇宙中令人费解的元素是可以解决的。”

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