一項新的研究表明，”El Gordo”星系團中的暗物質具有碰撞特性，這對無碰撞暗物質的標準模型提出了挑戰。與標準模型所確定的相反，暗物質可能確實是自相互作用的。這是國際太空站天文物理學和宇宙學小組的里卡多-瓦爾達尼尼（Riccardo Valdarnini）在《天文學與天體物理學》（A&A）上發表的一項新研究得出的結論。

這項研究利用數值模擬分析了”El Gordo”（西班牙文的字面意思是”胖子”）–一個距離我們70 億光年的巨型星團合併體–內部發生的情況。計算結果表明，在這個星團中，觀測到的暗物質最大密度點與其他質量成分最大密度點之間的物理分離可以用所謂的SIDM（自相互作用暗物質）模型來解釋，而不是標準模型。

這項研究為支持SIDM 模型做出了重要貢獻，根據該模型，暗物質粒子透過碰撞交換能量，從而產生有趣的天文物理學影響。

埃爾戈多星系團合成圖。圖片來源：X 射線：NASA/CXC/Rutgers/J.Hughes et al, Optical: ESO/VLT/Pontificia Universidad.智利天主教大學/L.Infante & SOAR (MSU/NOAO/UNC/CNPq-Brazil)/Rutgers/ F.Menanteau, IR: NASA/JPL/Rutgers/F.Menanteau

“根據目前公認的標準宇宙學模型，宇宙目前的重子物質密度僅佔其總物質含量的10%。剩下的90% 是暗物質”，該研究的作者里卡多-瓦爾達尼尼解釋說。

“一般認為，這種物質是非重子的，由冷的無碰撞粒子組成，只對引力有反應。因此被稱為”冷暗物質”（CDM）。”研究人員說：”然而，仍有許多觀測結果無法用標準模型來解釋。 “為了回答這些問題，幾位作者提出了一個替代模型，稱為SIDM。

證明暗物質的碰撞特性，更廣泛地說，證明標準宇宙學模型的替代理論是非常複雜的：”然而，在距離我們許多光年之外，有一些獨特的實驗室可以證明對這一目的非常有用。我們已知的最大星系團之一。

暗物質可能是碰撞產生的

根據標準範式，在星團合併過程中，碰撞氣體質量部分的行為將不同於其他兩個部分–星系和暗物質。在這種情況下，氣體會耗散其部分初始能量。瓦爾達尼尼解釋說：”這就是為什麼在碰撞之後，氣體質量密度的峰值會落後於暗物質和星系質量密度的峰值。”

然而，在SIDM 模型中，應該觀察到一種奇特的現象，即暗物質中心點–它的最大密度點–與其他質量成分的中心點在物理上分離，這種奇特現象代表了真正的” SIDM 模型特徵”。根據觀測，這正是”El Gordo”內部發生的情況。

觀察”El Gordo”

瓦爾達尼尼解釋說：”讓我們從觀測開始。它由兩個巨大的子星團組成，分別稱為西北（NW）和東南（SE）。El Gordo”星團的X 射線圖像顯示，在東南子星團中有一個單一的X 射線發射峰值，在X 射線峰值之外還有兩條拉長的微弱尾巴。值得注意的是不同質量成分的峰值位置。與”子彈”星團（另一個碰撞星團的重要例子）不同的是，X 射線峰值出現在東南暗物質峰值之前。此外，最亮星團星系（BCG）不僅落後於X射線峰值，而且在空間上似乎也偏離了東南質量中心點。另一個值得注意的方面可以在西北星系團中看到，星系數量密度峰值在空間上偏離了相應的質量峰值”。

研究結果表明，碰撞暗物質可以解釋在”El Gordo”觀測到的現象。為了解釋他的發現並驗證SIDM 模型，瓦爾達尼尼在《天文學與天體物理學》上發表的研究報告中使用了大量所謂的N 體/流體力學模擬。因此，他進行了一項系統性的研究，旨在重現”El Gordo”的觀測特徵。

瓦爾達尼尼指出：「這項模擬研究最重要的結果是，如果暗物質是自相互作用的，那麼在”El Gordo”星團不同質量中心點之間觀測到的相對分離現象自然就能得到解釋。正因為如此，這些發現提供了一個明確的暗物質行為特徵，它在能量非常高的高紅移星團碰撞中表現出碰撞特性。

然而，也有不一致的地方，因為這些模擬得到的SIDM 截面值高於目前的上限，而目前的上限在星團尺度上為一階。這表明，目前的SIDM 模型應被視為一種低階近似，而描述暗物質在主要星團合併中相互作用的基本物理過程要比通常假定的基於暗物質粒子散射的方法所能充分錶達的更為複雜。

“這項研究令人信服地證明了在碰撞星團之間存在自相互作用暗物質的可能性，以此替代標準的無碰撞暗物質範式”。

編譯來源：ScitechDaily