加州大學洛杉磯分校的天文物理學家利用新的模擬發現，最早的星係可能比以前認為的更小更亮，這對目前的暗物質理論提出了挑戰。透過結合氣體和暗物質之間的相互作用，他們的研究表明，如果詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）發現了這些明亮的矮星系，就可以驗證現有的模型。然而，如果沒有發現它們，我們將不得不重新評估對暗物質和宇宙形成的理解。

在過去的一年半里，詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）拍攝了宇宙大爆炸後不久形成的遙遠星系的驚人圖像，讓科學家們第一次看到了宇宙的雛形。現在，一群天文物理學家提高了要求：找到時間起點附近最微小、最明亮的星系，否則科學家將不得不徹底重新思考他們關於暗物質的理論。

由加州大學洛杉磯分校天文物理學家領導的研究小組進行了模擬，追蹤了宇宙大爆炸後小星系的形成過程，並首次將以前被忽視的氣體與暗物質之間的相互作用納入其中。他們發現，在不考慮這些相互作用的典型模擬中，所形成的星系非常微小、明亮得多，而且形成速度更快，反而顯示出更暗的星系。

矮星系在宇宙研究中的重要性

小星系，也叫矮星系，遍布整個宇宙，通常被認為是最早的星系類型。因此，研究宇宙起源的科學家對小星系特別感興趣。但是，他們發現的小星系並不總是和他們認為應該發現的星系一致。那些最靠近銀河系的星系旋轉得更快，或者密度沒有模擬的那麼高，這表明模型可能遺漏了一些東西，例如這些氣體-暗物質的相互作用。

發表在《天體物理學雜誌通訊》上的這項新研究通過加入暗物質與氣體的相互作用改進了模擬，並發現這些暗星系在宇宙歷史的早期可能比預期的要亮得多，當時它們剛剛開始形成。作者建議科學家利用韋伯望遠鏡等天文望遠鏡來尋找比預期亮得多的小星系。如果他們只找到微弱的星系，那麼他們關於暗物質的一些想法可能就是錯的。

史蒂芬五重奏（Stephan’s Quintet）是由五個星系組成的視覺組合，由詹姆斯-韋伯太空望遠鏡提供的近千個獨立影像檔案合成。加州大學洛杉磯分校的天文物理學家認為，如果冷暗物質理論是正確的，韋伯望遠鏡應該可以發現宇宙早期微小而明亮的星系。圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI

難以捉摸的暗物質本質

暗物質是一種不與電磁或光相互作用的假想物質。因此，它無法用光學、電學或磁學進行觀測。但暗物質確實與重力相互作用，人們從暗物質對普通物質–構成所有可觀測宇宙的物質–的引力效應推斷出暗物質的存在。儘管宇宙中84% 的物質被認為是由暗物質構成的，但它從未直接被偵測到。

所有星係都被一圈巨大的暗物質光環所包圍，科學家認為暗物質對星系的形成至關重要。天文物理學來理解星系形成的”標準宇宙學模型”描述了宇宙早期的暗物質團塊如何透過引力吸引普通物質，導致恆星的形成，並創造出我們今天看到的星系。由於大多數暗物質粒子（被稱為冷暗物質）的運動速度被認為比光速慢得多，因此這個累積過程是逐漸發生的。

了解星系形成的理論進展

但是在130多億年前，也就是第一批星系形成之前，由來自宇宙大爆炸的氫氣和氦氣組成的普通物質和暗物質在相對運動。氣體以超音速流過移動速度較慢的暗物質的密集區，這些暗物質本來應該把氣體拉進來形成星系。

“事實上，在不考慮流的模型中，這正是發生的情況，”加州大學洛杉磯分校博士生、論文第一作者克萊爾-威廉斯說。”氣體被暗物質的引力吸引，形成密度大到可以發生氫聚變的團塊和結塊，從而形成像我們太陽這樣的恆星。”

但威廉斯和”超音速計畫”團隊的合著者（由加州大學洛杉磯分校物理學和天文學教授斯馬達爾-納奧茲領導的一組來自美國、義大利和日本的天體物理學家組成）發現，如果他們在模擬中加入暗物質和普通物質之間不同速度的流效應，氣體就會落在遠離暗物質的地方，無法立即形成恆星。數百萬年後，當累積的氣體落回星系時，恆星的形成會同時爆發。由於這些星系在一段時間內比普通的小星系擁有更多年輕、熾熱、發光的恆星，因此它們要亮得多。

威廉斯說：「雖然流星抑制了最小星系中恆星的形成，但它也促進了矮星系中恆星的形成，使它們比宇宙中沒有流星的區域更加明亮。我們預測，韋伯望遠鏡將能夠發現宇宙中因這種速度而變得更加明亮的星系區域。事實上，它們應該如此明亮，這可能會讓望遠鏡更容易發現這些小星系，而這些星系通常在宇宙大爆炸後3.75 億年才極難被發現。”

由於暗物質是無法直接研究的，因此在早期宇宙中尋找明亮的星系斑塊可以為暗物質理論提供有效的檢驗，而這種檢驗迄今為止還沒有結果。

“在早期宇宙中發現成片的小而明亮的星系將證實我們的冷暗物質模型是正確的，因為只有兩種物質之間的速度才能產生我們正在尋找的星系類型，”霍華德和阿斯特里德普雷斯頓天文物理學教授諾茲說。”如果暗物質的行為不像標準的冷暗物質，不存在流效應，那麼這些明亮的矮星係就不會被發現，我們就需要回到繪圖板上去。”

編譯自: ScitechDaily