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《宇宙学和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本质和被称为宇宙网的宇宙大尺度结构。这一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，“团块问题”，即物质在整个宇宙中大尺度上出乎意料的均匀分布，可能是暗物质由假设的超轻粒子组成的迹象，称为轴子。证明难以探测的轴子存在的意义超出了对暗物质的理解，并且可以解决有关宇宙本身性质的基本问题。

　　“如果得到未来望远镜观测和实验室实验的证实，发现轴子暗物质将是本世纪最重要的发现之一，”主要作者Keir Rogers说，他是多伦多大学艺术与科学学院邓拉普天文学与天体物理研究所的邓拉普研究员。

　　“与此同时，我们的研究结果提出了一个解释，为什么宇宙没有我们想象的那么团块，这一观察在过去十年左右的时间里变得越来越清晰，目前使我们的宇宙理论变得不确定。

　　暗物质占宇宙质量的85%，是看不见的，因为它不与光相互作用。科学家研究它对可见物质的引力效应，以了解它在宇宙中的分布方式。 对有轴子和没有轴子的宇宙的一部分的计算机模拟，显示了如果包含轴子，暗物质宇宙网结构如何不那么团块。对于规模，银河系将位于其中一个称为光晕的小绿点内。资料来源：亚历山大·斯宾塞伦敦/亚历克斯·拉圭。

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

　　在大型星系调查中观察到这种缺乏团块性，挑战了另一种流行的理论，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。尽管有像大型强子对撞机这样的实验，但没有发现支持WIMP存在的证据。

　　“在科学中，当思想崩溃时，就会有新的发现，古老的问题就会得到解决，”罗杰斯说。

　　在这项研究中，由罗杰斯领导的研究小组，包括邓拉普研究所副教授Renée Hložek研究小组的成员，以及宾夕法尼亚大学，哥伦比亚大学高等研究所和伦敦国王学院 - 分析了大爆炸的遗物光观测结果，称为宇宙微波背景（CMB）。 从普朗克2018，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。通过研究星系的分布，反映了暗物质在引力下的行为，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，它的团块减少。

　　研究人员随后进行了计算机模拟，以预测遗物光的出现和星系在具有长暗物质波的宇宙中的分布。这些计算与来自大爆炸和星系聚类数据的CMB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，并提供团块的精确测量，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直接观察暗物质进行比较，这种效应是暗物质团块的测量方式，它弯曲了来自遥远星系的光的程度，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放到太空中，以及这如何影响暗物质分布，以进一步证实他们的结果。

　　在塑造宇宙的过程中，引力构建了一个巨大的蜘蛛网状细丝结构，将星系和星系团沿着数亿光年长的无形桥梁联系在一起。这被称为宇宙网。图片来源：Volker Springel（马克斯·普朗克天体物理研究所）等

　　目前，科学家们还没有一个理论可以同时解释引力和量子力学——万物理论。在过去的几十年里，最流行的万物理论是弦理论，它假设了量子能级以下的另一个层次，其中一切都由弦状的能量激发组成。根据罗杰斯的说法，检测模糊轴子粒子可能暗示万物的弦理论是正确的。

　　“我们现在拥有的工具可以让我们最终通过实验理解一些关于暗物质百年之谜的东西，即使是在未来十年左右 - 这可以为我们提供更大的理论问题的答案，”罗杰斯说。“希望宇宙中令人费解的元素是可以解决的。

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