科學(xué)家試圖通過增加宇宙維度來解釋暗物質(zhì)

暗物質(zhì)的奇特性質(zhì)可能超出了任何人的想象。通過一項(xiàng)新的模擬研究，宇宙學(xué)家認(rèn)為這種占宇宙質(zhì)量80%以上的神秘物質(zhì)可以相互作用。

暗物質(zhì)粒子之間可能會發(fā)生相互作用

研究作者之一、美國加州大學(xué)河濱分校物理學(xué)和天文學(xué)助理教授弗利普·塔內(nèi)多在一份聲明中說：“我們生活在暗物質(zhì)的海洋中，但我們對它可能是什么知之甚少?！?/p>

過去幾十年來，每一次試圖用已知物理學(xué)解釋暗物質(zhì)的嘗試都失敗了，因此塔內(nèi)多和他的合作者們希望開發(fā)更好的模型，以更精確地匹配觀測結(jié)果。他們提出的一個(gè)問題是，如果暗物質(zhì)在一個(gè)比三維更多維的空間中，以連續(xù)的力發(fā)生自相互作用會怎樣？這聽起來很不可思議，但他們以此建立的模型確實(shí)比傳統(tǒng)的簡單暗物質(zhì)模型能更好地解釋小型星系中恒星的行為。所以，這個(gè)問題值得再深入探討一番。

小星系，大問題

盡管宇宙學(xué)家還不知道暗物質(zhì)的“身份”，但他們已經(jīng)對它的一些基本屬性有所了解。所有的觀測結(jié)果都表明，暗物質(zhì)是由某種物理學(xué)上未知的新粒子組成的。這種粒子充斥著每個(gè)星系，占宇宙質(zhì)量的80%以上。它們不會與光有太多的相互作用，如果有的話，我們或許已經(jīng)在天文觀測中看到它們了。而且，這種粒子也肯定不會與正常物質(zhì)發(fā)生顯著的相互作用，如果有的話，我們可能就會在粒子對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中看到它們。

綜合這些特性，宇宙學(xué)家得以建立復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬程序，以重現(xiàn)宇宙中大型結(jié)構(gòu)的演化。這些模擬通常與觀察結(jié)果相符，但需要注意一個(gè)有趣的問題。據(jù)這個(gè)簡化的暗物質(zhì)模型預(yù)測，小型星系的核心應(yīng)該是具有非常高密度的暗物質(zhì)，宇宙學(xué)家將這種模型稱為“尖峰”（cusp）模型;然而，目前的觀測結(jié)果表明，暗物質(zhì)的密度是相對平坦的，因此這些神秘的物質(zhì)必須均勻地分散在整個(gè)小星系，該模型被稱為“核心”（core）模型。

幾十年來，這個(gè)“峰-核”問題一直困擾著暗物質(zhì)領(lǐng)域的研究者。一個(gè)成功的暗物質(zhì)模型必須能夠解釋大小星系的行為，以及其他關(guān)于暗物質(zhì)的觀測結(jié)果。對該問題有一個(gè)較為流行的解釋，被稱為“自相互作用暗物質(zhì)模型”（SIDM）。顧名思義，該模型預(yù)測了暗物質(zhì)偶爾會與自身發(fā)生相互作用，這就意味著暗物質(zhì)粒子有時(shí)會相互碰撞，甚至發(fā)生湮滅。這種自相互作用使高暗物質(zhì)密度的區(qū)域變得平坦，在小型星系中使“尖峰”變成了“核心”。

問題的核心

那么，這個(gè)問題解決了嗎？并沒有完全解決，因?yàn)樽韵嗷プ饔冒滴镔|(zhì)模型很難匹配其他觀測結(jié)果，比如星系透鏡效應(yīng)（大質(zhì)量物體的引力扭曲并放大了來自其背后特定星系的光），以及早期宇宙中星系的成長。

不過，這些缺點(diǎn)明顯的模型是基于已知的物理相互作用，而這些相互作用都是通過自然界四種基本力中的某一種而實(shí)現(xiàn)的。例如，電子通過電磁力相互作用，夸克通過強(qiáng)力相互作用，等等。但是，簡單地將已知的物理學(xué)引入暗物質(zhì)領(lǐng)域并不夠，也許是時(shí)候研究全新的力了。

塔內(nèi)多和他的合作者試圖做到這一點(diǎn)，他們在日前發(fā)表的一篇論文中描述了自己的工作。他們提出的新模型極大地?cái)U(kuò)展了暗物質(zhì)相互作用的可能，并允許一些未知的力——被稱為“暗力”——發(fā)揮作用。

“過去兩年來，我的研究項(xiàng)目的目標(biāo)就是擴(kuò)展暗物質(zhì)與暗力‘對話’的想法，”塔內(nèi)多在聲明中說，“在過去的十年里，物理學(xué)家已經(jīng)開始認(rèn)識到，除了暗物質(zhì)，隱藏的暗力可能控制著暗物質(zhì)的相互作用。這些暗力可能會完全改寫人們尋找暗物質(zhì)的規(guī)則?！?/p>

塔內(nèi)多等人的暗物質(zhì)研究中包含了兩個(gè)令人意想不到的特點(diǎn)。首先，該模型中包含了無數(shù)種新的力，這些力共同發(fā)揮作用，而不是由單一的力來連接暗物質(zhì)粒子。其次，這個(gè)模型需要給宇宙增加一個(gè)維度，也就是說，宇宙不再是我們熟悉的三維空間，而是一個(gè)神奇的四維空間。

跳出常規(guī)宇宙之外的思考

在構(gòu)建暗物質(zhì)粒子如何相互作用的理論時(shí)，無數(shù)種新的力（每一種力都由一個(gè)質(zhì)量不同的新粒子表示）提供了很大的靈活性。雖然在常規(guī)物理學(xué)中還沒有類似的理論，但天體物理學(xué)家很清楚暗物質(zhì)并不一定遵循通常的規(guī)則。

在解釋已知物理現(xiàn)象的理論中，兩個(gè)粒子的相互作用是通過交換一種攜帶力的粒子來實(shí)現(xiàn)的。例如，兩個(gè)電子通過交換光子（電磁力的載體）而相互碰撞。但是，這個(gè)新的模型采用了一個(gè)由相互作用組成的連續(xù)體，以取代單一的相互作用;所有的相互作用共同發(fā)揮作用，使暗物質(zhì)粒子的自相互作用發(fā)生。

“我的研究項(xiàng)目針對的是我們關(guān)于粒子物理學(xué)的一個(gè)假設(shè)：粒子之間的相互作用可以通過更多粒子的交換來很好地描述，”塔內(nèi)多在聲明中說，“盡管普通物質(zhì)確實(shí)如此，但沒有理由假設(shè)暗物質(zhì)也是如此。它們的相互作用或許可以用交換粒子的連續(xù)體來描述，而不僅僅是交換某種類型的力粒子。”

為了增加額外的維度，塔內(nèi)多的團(tuán)隊(duì)借用了一個(gè)來自其他高能粒子物理理論的技巧。通過一個(gè)很引人注目但尚未充分證明的概念，即“AdS/CFT對偶”（“AdS”代表反德西特空間，是一種假想的宇宙時(shí)空結(jié)構(gòu);“CFT”代表共形場論，屬于量子理論的范疇），一些在正常的三維空間中很難解決的物理問題在擴(kuò)展到四維空間時(shí)就會變得容易得多。

通過使用這種數(shù)學(xué)技巧，塔內(nèi)多及其合作者解決了暗物質(zhì)之間的力如何相互作用的問題。然后，他們將結(jié)果轉(zhuǎn)化為三維空間，并預(yù)測這些力將如何在真實(shí)的宇宙中運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)這些力的表現(xiàn)與我們所習(xí)慣的自然力大不相同。

“對于我在物理學(xué)入門課程中講授的引力或電磁力，當(dāng)兩個(gè)粒子之間的距離增加1倍時(shí)，引力或電磁力就會減少4倍，”塔內(nèi)多說，“相比之下，連續(xù)力會減少多達(dá)8倍?！?/p>

這種對暗物質(zhì)粒子之間自我相互作用的修正使研究人員能夠建立起匹配小型星系觀測結(jié)果的模型，給予這些星系一個(gè)類似于“核心”的暗物質(zhì)輪廓，而不是在傳統(tǒng)的暗物質(zhì)模型中看到的“尖峰”。這些結(jié)果與其他可能重現(xiàn)“尖峰”中心的自相互作用暗物質(zhì)模型相似，但這個(gè)理論來自一個(gè)全新的理論方向，可能會帶來其他觀測結(jié)果。

因此，研究人員還有很多工作要做。宇宙學(xué)家用暗物質(zhì)來解釋宇宙中許多不同尺度的觀測結(jié)果，進(jìn)一步的工作將揭示這個(gè)奇異的理論是否符合我們所看到的宇宙。