天体物理中的暗物质粒子

(今天给大家介绍一篇言简意赅的暗物质综述文章,通过模拟和观测的比较,来讨论宇宙中的暗物质应该是现在标准模型中给出的冷暗物质模型还是温暗物质模型。希望大家能有所收获。)

文章:Astrophysical constraints on dark matter

  • 作者:Charling Tao
  • 编辑整理:中国科学技术大学 侯磊

背景知识

暗物质的本质是当前宇宙学的一个基本问题,也是宇宙学最重大的问题之一。广义的暗物质包括重子暗物质如大质量致密晕天体Massive compact halo object,MACHO),或者原初黑洞Primordial black hole)等。不过本文中讨论的暗物质特指弱相互作用有质量粒子Weakly interacting massive particle,WIMP),这也是大部分人更认同的暗物质候选者。世界上有许多地面或者地下实验室和卫星探测器都在进行WIMP的探测工作,例如紫金山天文台常进研究员领导的研究小组。根据WIMP的质量和速度,可以分为热暗物质(Hot dark matter,HDM),温暗物质(Warm dark matter,WDM)和冷暗物质(Cold dark matter,CDM),可以简单理解为:HDM粒子动能(热运动能量)相比其静止质量要高,CDM粒子动能相比其静止质量要低,WDM介于两者之间。不同类型的WIMP有不同的性质,例如CDM给出宇宙大尺度结构形成的bottom-up等级成团模型,即先形成小尺度结构,然后通过吸积并合形成较大尺度上的结构,而HDM给出相反的top-down模型。当前的标准模型趋向于CDM,而HDM的可能性已经基本上被宇宙大尺度结构的研究结果所否定,但WDM的可能性依然存在。本文就是主要讨论当前的天体物理观测对CDM和WDM的可能性有什么样的结论。

                       
基于CDM的bottom-up形成模型示意图。基于HDM的top-down模型则正好相反,由一个较大的物质区域分裂成许多小区域。图片来源:http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/H/Hierarchical+Clustering。

 

模拟结果与观测结果

1、暗晕质量轮廓。基于CDM的N-body数值模拟给出,暗物质晕的质量轮廓和速度弥散轮廓都有普适的形式,而与质量、环境和形成历史等暗晕性质无关。模拟得到的质量轮廓与通过旋转曲线等方法得到的观测结果最明显的差异是,模拟结果给出暗晕中心密度上升很快,有一个密度的cusp,而观测结果给出的是中心存在密度比较均匀的core,这就是所谓的cusp-core problem。那么,我们能够就此得出否定CDM模型的结论么?未必。因为重子物质的存在会使中心密度轮廓发生改变,参见之前的一篇Astroleaks文章

2、银河系卫星星系数目。通过观测银河系的卫星星系数目可以给出对暗物质粒子的限制,因为理论给出,随着暗物质粒子质量的减少,卫星星系的数目也会减少。最近的结果可以对每种暗物质粒子给出质量下限,而基于WDM模型给出的WDM粒子质量与上述下限值已经可以相比。所以,银河系的卫星星系数目的研究结果给出WDM模型一定的可能性。

3、HI速度函数。通过HI观测可以给出星系的旋转速度,对不同大小旋转速度的星系数目进行统计,结果发现对于旋转速度小于50 km/s的星系,观测得到的星系数目比CDM给出的理论预测小10倍,这被称作overabundance problem。目前对这个问题主要有两种解释:暗物质粒子是质量为1 keV的WDM;或者,低质量星系中的HI盘区域太小,HI的旋转速度不能表征整个星系的旋转速度。

4、微空洞。空洞即低密度区。研究表明,观测中尺度比较小的空洞数目比CDM理论给出的预言小10倍左右,同时低旋转速度的空洞数目观测也比理论低。这条和第三条可以相互印证,因为宇宙大尺度形成理论中,空洞和暗晕在数学上是等同的,区别仅仅是空洞密度涨落为负而暗晕密度涨落为正而已。其理论解释也与第三条相同。

结论

正如上面每条后面的解释,上述理论和观测的矛盾,并不能给出否定CDM模型的确切结论。WDM与CDM的不同之处,在于WDM预言的小尺度功率谱比CDM要小;通俗地讲,就是WDM预言的小尺度上的不均匀性要比CDM小。这很容易理解,因为随着粒子速度的增大,热运动可以抹平小尺度上的不均匀性。文中指出,类似于EUCLID的透镜研究项目,可能将来会对暗物质粒子的性质给出更好的结论。但是,正如前面提到的,重子物质的存在会改变物质分布,而重子物质和暗物质的相互作用目前还是一个没有解决的问题。

Sterile neutrino

文章的最后,给出了sterile neutrino作为暗物质粒子候选者的可能性。大家知道,传统理论的标准模型中,中微子只有左旋而没有右旋的。但近期对中微子的研究发现,除了标准模型的中微子之外,必须有一种新的右旋中微子的存在,称作sterile neutrino。这种中微子除了引力外,还可能有弱的相互作用,也可能是暗物质粒子的候选者。有研究发现,超暗矮椭球星系William 1存在一个很窄的发射线成分,可以用5 keV左右的sterile neutrino衰变来解释。但是由于这个观测信号太弱,也不能完全确定这种中微子的存在。

延伸阅读

1、天体物理中sterile neutrino的综述文章

2、暗物质直接探测的综述文章

 

 

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3 Replies to “天体物理中的暗物质粒子”

  1. Lei Hou

    Firefox 7.0.1 Windows XP

    “WDM与HDM的不同之处,在于WDM预言的小尺度功率谱比HDM要小;通俗地讲,就是WDM预言的小尺度上的不均匀性要比HDM小”,这一段的HDM应该全部改成CDM。昨天写的时候有点晕晕的,今天睡了一觉才发现。。。真的很抱歉

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