科學家們對構成宇宙星系的物質知之甚少。星系中大約 20% 的物質是可見的或重子：質子、中子和電子等亞原子粒子。剩下的 80%，被稱為“暗物質”，仍然是神秘的和不可見的。

事實上，它可能根本不存在。 “暗物質”隻是一個假設。物理學家和天文學家可能在追逐鬼魂——但這并不能阻止我們尋找。為什麼？因為如果暗物質不是真實的，那麼恒星、行星和星系的行為就毫無意義。

今天，暗物質——以及它的近親——暗能量——是被稱為 Lambda 冷暗物質或 Lambda-CDM 的宇宙模型的支柱。該模型強調暗物質僅通過引力影響重子物質。它不與電磁力相互作用，這意味着它不吸收、反射或發射光。

在最近發表在《天文學和天體物理學》上的一項研究中，我們提供了進一步的證據來支持早期星系周圍存在暗物質暈（當時宇宙隻有當前年齡的一半）。我們還挑戰了一些關于它的假設。這是加深我們對宇宙及其星系理解的一種方式。

理論的起源

1970 年代，天文學家維拉魯賓和肯特福特揭開了暗物質理論的面紗。他們不隻是在黑暗中拍攝：關于為什麼恒星、行星和星系會以某種方式表現的争論由來已久。例如，為什麼恒星和氣體不不斷地向外太空飛去很遠很遠？什麼樣的膠水可以保持星系完整并對日常的重子粒子産生引力效應？

科學家們還想知道為什麼離星系中心較遠的物體的運動速度與靠近中心的物體幾乎相同。這與牛頓定律背道而馳，牛頓定律指出恒星和氣體離星系中心越遠，它們應該越慢。核心附近更豐富的恒星和氣體應該提供必要的引力來加速恒星和氣體。它們在銀河系邊緣分布得越薄，引力就越小——所以恒星和氣體應該減速。但觀察表明他們沒有。

為了解釋這些差異，魯賓和福特認為，每個星系都被一個巨大的暗物質暈圈所吞沒，提供了無法解釋的質量。他們聲稱暗物質提供了任何一個星系中大約 85% 的物質。它在整個銀河系中的主要存在源于這樣一個事實，即恒星和氫氣正在移動，就好像受到一種無形元素的控制一樣。

他們的理論沒有被普遍接受。一些科學家認為暗物質不存在。

回望宇宙

在我們的新研究中，我們觀察了大約 70 億光年外的大約 260 個螺旋狀恒星形成星系。這本質上是對過去的一瞥。據估計，這些星系存在于宇宙年齡的一半，即大約 138 億年。它們現在在我們看來隻不過是光信号。螺旋星系，我們的銀河系就是其中之一，其特點是恒星和氣體雲的獨特旋臂。

我們的目标是觀察和确定，然後将這些遙遠的螺旋星系中的質量分布與更接近、更接近、具有或多或少相同特征的星系進行比較。

最近的幾項研究表明，與最接近或本地的對應物相比，較老的恒星形成星系似乎沒有暗物質。這導緻一些研究人員斷言，暗物質在早期恒星系統中的作用比在今天的星系中要小得多。我們的研究結果駁斥了這一建議。

我們能夠證實，我們研究的早期星系具有從中心形成的特征性暗物質暈，并在一定半徑内保持恒定密度。這在很大程度上對應于在局部宇宙星系中觀察到的暗物質的标準情況。然而，一個令人驚訝的發現是，這些光暈比靠近我們銀河系的星系要緊湊得多。這表明星系内暗物質的分布随着時間的推移而緩慢擴大。但是這個過程是如何驅動的呢？

我們得出結論，這種現象說明了暗物質粒子和日常重子粒子之間的直接相互作用。這改變了光環的密度——這樣做，超越了教科書的引力關系。

這些發現并沒有為所有關于暗物質存在的問題提供所有答案，甚至是一些問題。但這肯定會縮小對暗物質粒子的長期搜索。

它還為根據其能力識别暗物質粒子提供了一些方向。這反過來又開啟了對其他暗物質理論的讨論，例如暖暗物質、自相互作用暗物質和超輕暗物質。所有這些都比冷暗物質更具交互性。

深入了解

對于我們這些同樣對暗物質着迷和困惑的人來說，隧道盡頭很可能有一盞燈。新技術正在幫助我們更好地了解宇宙及其動态。

尋找答案将意味着更深入地凝視這些早期和“年輕”星系的中心。新的詹姆斯韋伯太空望遠鏡将于 2021 年底發射，現在繞地球運行距離太陽約 1,500,000 公裡，可能會在這方面有所幫助。

新的 LUX-ZEPLIN 暗物質探測器也是如此，它被稱為“世界上最靈敏的暗物質探測器”，位于美國地下約 1.5 公裡處。

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