模糊暗物質(zhì)可能使恒星成為巨大的煎餅

如果暗物質(zhì)是模糊的，那么它們就會(huì)影響第一批恒星的形成。（圖源：蓋蒂圖片社）

一個(gè)暗物質(zhì)的模型表明，第一批恒星可能不是各自獨(dú)立形成的，而是猶如鑲嵌在巨大煎餅狀薄片上的小口袋。一個(gè)研究小組認(rèn)為，這個(gè)過(guò)程最終會(huì)導(dǎo)致真正巨大恒星的形成，而這些恒星也許終有一天會(huì)被詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。

天文學(xué)家有大量證據(jù)表明，宇宙中絕大多數(shù)物質(zhì)都是暗物質(zhì)，它們不與光或正常物質(zhì)相互作用。例如，恒星圍繞星系中心快速旋轉(zhuǎn)，給予我們看見(jiàn)的所有物質(zhì)引力。同樣，當(dāng)我們觀察星系團(tuán)內(nèi)星系的運(yùn)動(dòng)時(shí)，類似的事情也會(huì)發(fā)生。如果只考慮所有可見(jiàn)物體提供的微弱引力，那么宇宙網(wǎng)，即宇宙中星系的大型結(jié)構(gòu)排列，出現(xiàn)和發(fā)展得就有點(diǎn)太快了。

因此，宇宙中很大一部分物質(zhì)是看不見(jiàn)的，且我們還不知道這些不可見(jiàn)的部分到底是由什么組成的。一種流行的說(shuō)法是冷暗物質(zhì)，這意味著暗物質(zhì)是由某種運(yùn)動(dòng)速度比光速慢得多的奇異粒子組成的。盡管這個(gè)模型非常成功——幾乎可以解釋所有星系和天體的奇怪行為——但它仍有一些缺點(diǎn)。

首先，冷暗物質(zhì)模型只能適用于比星系小的尺度。例如，該模型預(yù)測(cè)的星系中心的物質(zhì)和小型衛(wèi)星星系都比我們觀察到的要多得多。

解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)想法是讓冷暗物質(zhì)變得“模糊”起來(lái)。如果暗物質(zhì)是由一種非常微小的粒子構(gòu)成的——比如說(shuō)比電子小10^22倍——那么它就足夠輕，以至于它的量子力學(xué)波狀性質(zhì)在大尺度上也會(huì)出現(xiàn)。屆時(shí)，粒子不再以點(diǎn)狀的形式存在，而是模糊的，并將分散在直徑有1000光年大的區(qū)域。

一個(gè)新思路

通過(guò)使暗物質(zhì)變得模糊，粒子的波動(dòng)性質(zhì)有效地修正了暗物質(zhì)帶來(lái)的數(shù)據(jù)偏差，解決了目前由冷暗物質(zhì)導(dǎo)致的許多問(wèn)題。換句話說(shuō)，這個(gè)模型阻止了暗物質(zhì)形成直徑小于1000光年的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，這個(gè)模型的設(shè)計(jì)初衷是為了解釋現(xiàn)有的觀察結(jié)果，但為了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，我們必須找到一些新的方法來(lái)檢驗(yàn)。一篇提交給《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》的論文給出了新思路。

在論文中，天文學(xué)家建立了早期宇宙和第一批恒星出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)模擬。他們讓暗物質(zhì)變得“模糊”，并觀察它們是如何改變正常物質(zhì)的演化和恒星誕生的。

恒星和星系的形成需要暗物質(zhì)。宇宙在不斷地膨脹，將一大團(tuán)氣體聚攏需要很大的引力，這樣才能獲得足夠高的密度來(lái)觸發(fā)聚變和恒星的誕生。顯然，宇宙中沒(méi)有足夠的正常物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。而早期宇宙中的暗物質(zhì)團(tuán)充當(dāng)了引力孵化器，這才吸引了足夠多的正常物質(zhì)來(lái)形成恒星和星系。

所以如果改變暗物質(zhì)的屬性，讓它變得模糊，就改變了恒星和星系的演化方式。

面糊里的團(tuán)塊

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暗物質(zhì)變得模糊時(shí)，它會(huì)改變恒星形成的方式。在常規(guī)的冷暗物質(zhì)中，恒星各自分散，熠熠生輝；而對(duì)模糊的暗物質(zhì)而言，首先形成的是類似煎餅的巨大二維薄片。

然后薄片迅速分裂成幾瓣，最終發(fā)展成恒星。隨后，恒星充斥整個(gè)宇宙，就像在正常的冷暗物質(zhì)場(chǎng)景中一樣。但研究人員還是觀察到了一個(gè)關(guān)鍵的差異。

由于二維薄片的巨大質(zhì)量，它們坍縮的速度非?？欤谝淮阈潜壤浒滴镔|(zhì)理論預(yù)測(cè)的要大得多。模糊暗物質(zhì)模型中的第一批恒星可以達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的一百萬(wàn)倍，而冷暗物質(zhì)最多只能產(chǎn)生比太陽(yáng)大幾百倍的恒星。

由于它們的體積巨大，這些恒星的壽命都不會(huì)太長(zhǎng)。轉(zhuǎn)眼間，第一代恒星就在超新星爆炸的猛烈風(fēng)暴中消失。隨著薄片們的消散，正常的恒星形成將開(kāi)始，宇宙將開(kāi)始看起來(lái)更像我們所見(jiàn)的宇宙。

盡管詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡無(wú)法直接觀測(cè)到宇宙中出現(xiàn)的第一批恒星，但它能夠?qū)κ着窍抵械囊恍┬窍颠M(jìn)行成像，這些星系可能包含一些原始一代恒星的殘留物。研究人員預(yù)測(cè)，如果韋伯望遠(yuǎn)鏡根本沒(méi)有看到第一代恒星，也許能為團(tuán)隊(duì)的設(shè)想提供證據(jù)，因?yàn)樵谒麄兊哪Ｐ椭?，所有第一代恒星都?huì)很快走向滅亡。

還有一種可能是，韋伯望遠(yuǎn)鏡或許能探測(cè)到強(qiáng)烈超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的輻射殘留物。

然而，當(dāng)涉及到暗物質(zhì)時(shí)，我們?nèi)砸换I莫展。

BY:Paul Sutter

FY:忙碌的北門

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請(qǐng)取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處