清華大學(xué)在暗物質(zhì)研究方面取得進(jìn)展

近期，清華大學(xué)物理系副教授安海鵬和博士后楊大能與加州大學(xué)河濱分校教授郁海波合作，通過研究發(fā)現(xiàn)兩個(gè)缺少暗物質(zhì)的特殊星系NGC1052-DF2和-DF4（簡稱DF2和DF4）的形成可能與暗物質(zhì)自相互作用有關(guān)。該項(xiàng)工作還進(jìn)一步展示了重子物質(zhì)過程對(duì)暗物質(zhì)的反饋效應(yīng)不能在我們考慮的情形下產(chǎn)生DF2或DF4的觀測結(jié)果。該文章的結(jié)果顯示，缺少暗物質(zhì)的星系可能成為探測暗物質(zhì)的粒子物理性質(zhì)的重要途徑。

2018年耶魯課題組利用Dragonfly望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)缺少暗物質(zhì)的特殊星系DF2和DF4。在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中，暗物質(zhì)的能量密度為重子物質(zhì)的五倍，速度很低而且沒有證據(jù)顯示其存在引力之外的相互作用。根據(jù)這樣的理論假設(shè)，人們預(yù)期在一個(gè)DF2或DF4這樣的星系中暗物質(zhì)的質(zhì)量將數(shù)百倍重于其中的重子物質(zhì)質(zhì)量。然而觀測的結(jié)果卻告訴我們，DF2和DF4星系在誤差范圍內(nèi)都近乎沒有暗物質(zhì)。在傳統(tǒng)的冷暗物質(zhì)模型中，要產(chǎn)生DF2或DF4這樣的星系需要非常彌散的初始暗物質(zhì)暈，集中度4倍低于宇宙學(xué)預(yù)期的中位數(shù)。這不由讓人困擾它們是如何形成的，同時(shí)也讓人質(zhì)疑冷暗物質(zhì)模型在小尺度結(jié)構(gòu)上的正確性。楊大能博士、郁海波教授和安海鵬副教授通過研究發(fā)現(xiàn)，如果引入暗物質(zhì)的自相互作用，只要這個(gè)集中度低于一至兩倍的宇宙學(xué)預(yù)期中位數(shù)，就能產(chǎn)生DF2或DF4這樣的星系。

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一個(gè)類似DF2的星系在NGC1052引力勢中的演化。潮汐剝奪效應(yīng)對(duì)暗物質(zhì)組分非常劇烈，使得演化后的衛(wèi)星有著類似的暗物質(zhì)和重子物質(zhì)質(zhì)量。圖中虛線對(duì)應(yīng)模擬的初始條件，實(shí)線對(duì)應(yīng)演化后的結(jié)果，暗物質(zhì)組分為灰色，重子物質(zhì)組分為紫色。

該研究成果發(fā)表于2020年9月9日的《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上并獲得編輯推薦。該工作主要由安海鵬研究組的博士后楊大能完成，楊大能為文章第一作者；楊大能、郁海波、安海鵬為文章的共同通訊作者。該工作得到了清華大學(xué)理科提升計(jì)劃（“雙E計(jì)劃”）和國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目的支持。