天文学家发现暗物质和宇宙团块之间的新联系

　　斯隆数字巡天所看到的本地宇宙中的星系图，研究人员用它来测试轴子理论。每个点代表一个星系的位置，地球位于地图的中间。鸣谢:斯隆数字天空调查

　　据多伦多大学：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，这可能解释了不可见暗物质的性质和被称为宇宙网的宇宙大规模结构。这一结果在天文学中的这两个长期问题之间建立了新的联系，为理解宇宙开辟了新的可能性。

　　这项研究表明，“结块问题”的核心是物质在整个宇宙的大尺度上出乎意料的均匀分布，这可能是暗物质由假想的超轻粒子组成的迹象，这种粒子被称为轴子。证明难以探测的轴子存在的意义不仅仅在于理解暗物质，还可以解决关于宇宙本身性质的基本问题。

　　“如果得到未来望远镜观察和实验室实验的证实，找到轴子暗物质将是本世纪最重要的发现之一，”多伦多大学文理学院邓拉普天文和天体物理研究所邓拉普研究员、主要作者凯尔·罗杰斯说。

　　“与此同时，我们的结果提出了一种解释，解释了为什么宇宙没有我们想象的那么结块，这种观察在过去十年左右的时间里变得越来越清楚，目前让我们的宇宙理论变得不确定。”

　　占宇宙质量85%的暗物质是不可见的，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，以了解它在宇宙中是如何分布的。

　　一个领先的理论提出，暗物质是由轴子组成的，由于它们的波动行为，在量子力学中被描述为“模糊的”。与离散的点状粒子不同，轴子的波长可以比整个星系还要长。这种模糊性影响了暗物质的形成和分布，潜在地解释了为什么在没有轴子的宇宙中，宇宙没有预测的那么拥挤。

　　在大型星系调查中已经观察到这种缺乏块状的现象，挑战了另一个流行的理论，即暗物质只由重的，弱相互作用的亚原子粒子WIMPs组成。尽管有大型强子对撞机这样的实验，但还没有发现支持WIMPs存在的证据。

　　罗杰斯说:“在科学领域，当思想崩溃时，新的发现就会产生，古老的问题就会得到解决。”。

　　在这项研究中，由罗杰斯领导的研究小组，包括Dunlap研究所副教授renée hlo ek的研究小组成员，以及来自宾夕法尼亚大学、哥伦比亚大学高级研究学院和伦敦大学国王学院的成员，分析了从普朗克2018、阿塔卡马宇宙学望远镜和南极望远镜调查中获得的大爆炸残余光的观测结果，称为宇宙微波背景(CMB)。

　　有轴子和没有轴子的宇宙截面的计算机模拟显示了暗物质宇宙网络结构如果包含轴子是如何减少结块的。就尺度而言，银河系将位于一个被称为光环的小绿点内。鸣谢:亚历山大·斯潘塞·伦敦/亚历克斯·拉古。

　　研究人员将这些CMB数据与来自重子振荡光谱调查(BOSS)的星系聚类数据进行了比较，BOSS绘制了附近宇宙中大约100万个星系的位置。通过研究星系的分布(反映了暗物质在引力作用下的行为)，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，其结块减少了。

　　研究人员随后进行了计算机模拟，以预测残余光的出现以及在具有长暗物质波的宇宙中星系的分布。这些计算与来自大爆炸的CMB数据和星系聚集数据一致，支持了模糊轴子可以解释聚集问题的观点。

　　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，并提供精确的聚集测量，包括未来十年鲁宾天文台的观测。

　　研究人员希望将他们的理论与通过引力透镜对暗物质的直接观察进行比较，引力透镜是一种效应，通过它弯曲来自遥远星系的光的程度来测量暗物质的聚集，类似于一个巨大的放大镜。他们还计划调查星系如何将气体排放到太空中，以及这如何影响暗物质的分布，以进一步证实他们的结果。

　　在塑造宇宙的过程中，重力构建了一个巨大的蛛网状细丝结构，沿着几亿光年长的看不见的桥梁将星系和星系团联系在一起。这就是众所周知的宇宙网。鸣谢:Volker Springel(马克斯·普朗克天体物理研究所)等。

　　了解暗物质的性质是最紧迫的基本问题之一，也是了解宇宙起源和未来的关键。

　　目前，科学家还没有一个理论可以同时解释重力和量子力学——一个万物理论。在过去的几十年中，最流行的万物理论是弦理论，它提出了量子层次之下的另一个层次，在这个层次中，一切都是由能量的弦状激发构成的。根据罗杰斯的说法，探测到一个模糊的轴子粒子可能暗示一切弦理论都是正确的。

　　罗杰斯说:“我们现在拥有的工具可以让我们最终通过实验了解关于暗物质百年之谜的一些事情，甚至在未来十年左右——这可能会给我们提供关于更大理论问题答案的线索。”"希望是宇宙中令人困惑的元素是可以解决的。"