为什么天文学家一直在寻找暗物质

　　科学家们对构成宇宙星系的物质知之甚少。星系中大约 20% 的物质是可见的或重子：质子、中子和电子等亚原子粒子。剩下的 80%，被称为＂暗物质＂，仍然是神秘的和不可见的。
　　事实上，它可能根本不存在。 ＂暗物质＂只是一个假设。物理学家和天文学家可能在追逐鬼魂——但这并不能阻止我们寻找。为什么？因为如果暗物质不是真实的，那么恒星、行星和星系的行为就毫无意义。
　　今天，暗物质——以及它的近亲——暗能量——是被称为 Lambda 冷暗物质或 Lambda-CDM 的宇宙模型的支柱。该模型强调暗物质仅通过引力影响重子物质。它不与电磁力相互作用，这意味着它不吸收、反射或发射光。
　　在最近发表在《天文学和天体物理学》上的一项研究中，我们提供了进一步的证据来支持早期星系周围存在暗物质晕（当时宇宙只有当前年龄的一半）。我们还挑战了一些关于它的假设。这是加深我们对宇宙及其星系理解的一种方式。
　　理论的起源
　　1970 年代，天文学家维拉鲁宾和肯特福特揭开了暗物质理论的面纱。他们不只是在黑暗中拍摄：关于为什么恒星、行星和星系会以某种方式表现的争论由来已久。例如，为什么恒星和气体不不断地向外太空飞去很远很远？什么样的胶水可以保持星系完整并对日常的重子粒子产生引力效应？
　　科学家们还想知道为什么离星系中心较远的物体的运动速度与靠近中心的物体几乎相同。这与牛顿定律背道而驰，牛顿定律指出恒星和气体离星系中心越远，它们应该越慢。核心附近更丰富的恒星和气体应该提供必要的引力来加速恒星和气体。它们在银河系边缘分布得越薄，引力就越小——所以恒星和气体应该减速。但观察表明他们没有。
　　为了解释这些差异，鲁宾和福特认为，每个星系都被一个巨大的暗物质晕圈所吞没，提供了无法解释的质量。他们声称暗物质提供了任何一个星系中大约 85% 的物质。它在整个银河系中的主要存在源于这样一个事实，即恒星和氢气正在移动，就好像受到一种无形元素的控制一样。
　　他们的理论没有被普遍接受。一些科学家认为暗物质不存在。
　　回望宇宙
　　在我们的新研究中，我们观察了大约 70 亿光年外的大约 260 个螺旋状恒星形成星系。这本质上是对过去的一瞥。据估计，这些星系存在于宇宙年龄的一半，即大约 138 亿年。它们现在在我们看来只不过是光信号。螺旋星系，我们的银河系就是其中之一，其特点是恒星和气体云的独特旋臂。
　　我们的目标是观察和确定，然后将这些遥远的螺旋星系中的质量分布与更接近、更接近、具有或多或少相同特征的星系进行比较。
　　最近的几项研究表明，与最接近或本地的对应物相比，较老的恒星形成星系似乎没有暗物质。这导致一些研究人员断言，暗物质在早期恒星系统中的作用比在今天的星系中要小得多。我们的研究结果驳斥了这一建议。
　　我们能够证实，我们研究的早期星系具有从中心形成的特征性暗物质晕，并在一定半径内保持恒定密度。这在很大程度上对应于在局部宇宙星系中观察到的暗物质的标准情况。然而，一个令人惊讶的发现是，这些光晕比靠近我们银河系的星系要紧凑得多。这表明星系内暗物质的分布随着时间的推移而缓慢扩大。但是这个过程是如何驱动的呢？
　　我们得出结论，这种现象说明了暗物质粒子和日常重子粒子之间的直接相互作用。这改变了光环的密度——这样做，超越了教科书的引力关系。
　　这些发现并没有为所有关于暗物质存在的问题提供所有答案，甚至是一些问题。但这肯定会缩小对暗物质粒子的长期搜索。
　　它还为根据其能力识别暗物质粒子提供了一些方向。这反过来又开启了对其他暗物质理论的讨论，例如暖暗物质、自相互作用暗物质和超轻暗物质。所有这些都比冷暗物质更具交互性。
　　深入了解
　　对于我们这些同样对暗物质着迷和困惑的人来说，隧道尽头很可能有一盏灯。新技术正在帮助我们更好地了解宇宙及其动态。
　　寻找答案将意味着更深入地凝视这些早期和＂年轻＂星系的中心。新的詹姆斯韦伯太空望远镜将于 2021 年底发射，现在绕地球运行距离太阳约 1,500,000 公里，可能会在这方面有所帮助。
　　新的 LUX-ZEPLIN 暗物质探测器也是如此，它被称为＂世界上最灵敏的暗物质探测器＂，位于美国地下约 1.5 公里处。