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巨大的“El Gordo”星系團暗示暗物質會自行撞擊

星系團


巨大的“El Gordo”星系團暗示暗物質會自行撞擊


“El Gordo”是已知存在的最龐大的星系團之一 。如果暗物質是自相互作用的，那么它有一些奇怪的性質可以解釋 。（圖片來源：美國國家航空航天局、歐空局、J.Jee（加州大學戴維斯分校）、J.Hughes（羅格斯大學）、F.Menanteau（羅格s大學和伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校）、C.Sifon（萊頓天文臺）、R.Mandelbum（卡內基梅隆大學）、L.Barrientos（智利Catolica大學）和K.Ng（加州大學Davis分校））
據美國太空網（Robert Lea）：如果宇宙中最神秘的物質暗物質能夠與自身碰撞，那么在一個由合并星系組成的大質量星系團中的奇怪行為就可以得到解釋 。然而 ， 目前最受歡迎的宇宙學模型是冷暗物質（CDM）模型 ， 它表明暗物質不是自相互作用的，因為它不與光相互作用，所以實際上是不可見的 。
為了弄清這個難題的真相，意大利國際科學院天體物理學和宇宙學小組的研究人員開始模擬大質量星系團“El Gordo”（西班牙語的字面意思是“胖子”）內發生的事情 。它距離地球大約70億光年 。
這一模擬揭示了碰撞星系的超星系團的物理性質——其質量相當于300億個太陽，官方命名為ACT-CL J0102-4915——可以用CDM的替代理論來解釋 。這種替代理論被稱為自相互作用暗物質（SIDM）模型 。
顧名思義，這個模型假設，無論暗物質由什么組成，物質都可以與自身碰撞和相互作用 。如果宇宙由SIDM模型準確描述，這將意味著暗物質粒子可以與自己交換能量 。
一個“胖”暗物質實驗室
暗物質既不與光相互作用，也不與可見物質相互作用，這一事實告訴科學家，暗物質不可能由電子、質子和中子組成的原子組成 。這些是組成恒星、行星、衛星和我們身體的部分 。這些粒子共同是重子家族的一部分，因此日常物質在技術上被稱為“重子物質” 。
暗物質與引力相互作用，因此它對空間結構的影響可以影響重子可見物質和光 。這就是科學家們推斷暗物質存在的方式 。然而，暗物質給物理學帶來了一個大問題 。暗物質粒子的數量遠遠超過重子粒子至少5比1，可能高達9比1，這意味著我們在宇宙中看到的物質只是其實際含量的一小部分 。
團隊負責人、SISSA科學家Riccardo Valdarini在一份聲明中表示：“根據目前公認的標準宇宙學模型，目前宇宙的重子物質密度只能占其總物質含量的10% 。其余90%以暗物質的形式存在 ?！??！叭藗兤毡檎J為，這種物質是非生物的，由冷的無碰撞粒子組成，這些粒子只對重力有反應 。
“然而，仍有一些觀測結果尚未使用標準模型進行解釋 ?！?br>
巨大的“El Gordo”星系團暗示暗物質會自行撞擊


根據盛行的冷暗物質模型顯示宇宙演化的圖表 。對El Gordo的觀測可能會使該模型受到質疑（圖片來源：NASA/LAMBDA檔案館/WMAP科學團隊）
El Gordo由兩個獨立的星系亞簇組成，它們以每小時數百萬英里的速度碰撞 。它是如此遙遠 ， 以至于人們看到的是宇宙還不到目前年齡一半時的樣子 。瓦爾達尼解釋說，像2012年發現的El Gordo這樣巨大而巨大的結構為研究潛在的SIDM模型提供了完美的宇宙實驗室 。
瓦爾達尼說：“這些是大質量的星系團，巨大的宇宙結構，在碰撞時決定了自大爆炸以來最具能量的事件 ?！?。“El Gordo是我們所知道的最大星系團之一 。由于其獨特性，El Gordo一直是眾多理論和觀測研究的主題 ?！?br>宇宙學標準模型的一個問題
CDM標準宇宙學模型表明，當星系團中的星系碰撞和合并時，這種事件的氣體成分應該與暗物質成分不同，作為最初釋放的能量的一部分消散 。
瓦爾達尼解釋道：“這就是為什么碰撞后，氣體質量密度的峰值將落后于暗物質和星系的峰值 ?！?。
SIDM模型表明，在這些碰撞過程中會發生一些不同的事情 。在這個模型中，最大暗物質質量密度的點（被稱為“暗物質質心”）與碰撞星系的其他質量成分之間存在物理分離 。El Gordo的觀測似乎表明，這正是SIDM的特征 。

巨大的“El Gordo”星系團暗示暗物質會自行撞擊


這張El Gordo星系團的照片結合了ESO超大望遠鏡拍攝的圖像、SOAR望遠鏡的圖像和NASA錢德拉X射線天文臺的X射線觀測結果 。（圖片來源：ESO/SOAR/NASA）
El Gordo由兩個大質量的星系亞星團組成 ， 分別命名為西北（NW）和東南（SE） 。整個碰撞超星系團的X射線圖像顯示，SE亞星團中有一個X射線峰，兩條微弱細長的尾巴延伸到這個峰之外 。
這些排放物的一個奇怪特征是不同質量成分的峰值位置不同 。與另一個由碰撞星系組成的大質量超星系團子彈星團不同，El Gordo的X射線峰值先于SE暗物質峰值 。除此之外，埃爾戈多最亮的星團星系（BCG）落后于X射線峰值 ， 而且它似乎也偏離了SE的質心 。El Gordo的西北星團也有一些奇怪的特征 。在這個區域，星系的峰值密度在空間上偏離了相應的質量峰值 。
為了解釋這些特征并可能驗證SIDM模型 ， 瓦爾達尼和團隊對El Gordo進行了一系列流體動力學模擬，旨在重現觀測到的大質量超星系團的特征 。
他繼續說道：“這項模擬研究最重要的結果是，如果暗物質是自相互作用的 ， 那么在‘El Gordo’星團的不同質心之間觀察到的相對分離就可以自然地得到解釋 。” ?！耙虼?，這些發現為暗物質行為提供了一個明確的標志，該行為在高能高紅移[非常遙遠]的星團碰撞中表現出碰撞性質 ?！?br>然而，SISSM研究人員也承認，SIDM模型與El Gordo觀測結果以及模擬結果之間存在不一致之處，一些測量值高于該模型預測的此類集群合并的上限 。
瓦爾達尼總結道：“這表明，目前的SIDM模型只應被視為一種低階近似，描述主要星團合并中暗物質相互作用的基本物理過程比基于暗物質粒子散射的通常假設方法更復雜 ?！?。“這項研究為碰撞星團之間自相互作用暗物質的可能性提供了一個令人信服的理由，作為標準無碰撞暗物質范式的替代方案 ?！?br>該團隊的研究于4月發表在《天文學與天體物理學》雜志上 。