暗物質(zhì)加熱星系際
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北京大學(xué) 徐仁新 編譯自Michael Schirber. Physics ，November 18，2022
本文選自《物理》2023年第1期
宇宙稠密氣體云團(tuán)會(huì)吸收遠(yuǎn)處類(lèi)星體的光，形成類(lèi)星體光譜的吸收線。近年來(lái)的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：鄰近云團(tuán)產(chǎn)生的吸收線的寬度比預(yù)期大，這可能是由一種稱(chēng)為暗光子的暗物質(zhì)候選體引起的。暗光子可加熱云團(tuán)，使得吸收線致寬。雖然也有人提出了用傳統(tǒng)加熱機(jī)制解釋譜線致寬，但若果真因暗光子引起，則還會(huì)加熱宇宙早期的低密云團(tuán)。人們正著手檢驗(yàn)這一預(yù)言。
在觀測(cè)遙遠(yuǎn)類(lèi)星體的光譜時(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)因視線穿過(guò)云團(tuán)而產(chǎn)生的吸收線。最典型的吸收線就是氫的萊曼阿爾法譜線。確實(shí)不少類(lèi)星體光譜呈現(xiàn)萊曼阿爾法“森林”，它起源于距離銀河系不同處的云團(tuán)吸收不同波長(zhǎng)的光。通過(guò)分析吸收線的寬度、深度等，人們可以獲取云團(tuán)的密度和溫度等方面信息，進(jìn)而與星系形成和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
來(lái)自遙遠(yuǎn)類(lèi)星體的光穿過(guò)星系際稠密云團(tuán)(紫色)區(qū)域時(shí)將被吸收于特定頻段，導(dǎo)致類(lèi)星體光譜呈現(xiàn)吸收線“森林”(綠色)
觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果整體上比較一致，但鄰近云團(tuán)的吸收存在差異：這些所謂的低紅移云團(tuán)產(chǎn)生的吸收線要比模擬預(yù)期值寬。“這可能暗示存在一種特定暗物質(zhì)候選體，即暗光子”，歐洲核子研究中心的Andrea Caputo說(shuō)：“暗光子可轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾硬⒓訜釟怏w、致寬譜線，使得數(shù)值模擬更好地符合觀測(cè)結(jié)果”。
為了探索這種加熱機(jī)制，Caputo和同事們?cè)谀M宇宙時(shí)考慮了暗光子。據(jù)信暗光子可小概率自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)檎９庾?；?dāng)滿足電離氣體中的共振條件時(shí)，該轉(zhuǎn)化率增強(qiáng)。共振條件所要求的氣體密度跟暗光子的質(zhì)量有關(guān)。如果星系際云團(tuán)滿足這一密度要求，則共振產(chǎn)生的普通光子將有效加熱氣體。
Caputo指出云團(tuán)密度會(huì)隨時(shí)間演化，因此某個(gè)云團(tuán)僅在宇宙演化的特定時(shí)間段滿足共振條件。暗光子加熱具有獨(dú)特的時(shí)間依賴(lài)性，而其他暗物質(zhì)候選體的加熱(例如暗物質(zhì)衰變或湮滅)卻一直進(jìn)行。當(dāng)然，持續(xù)加熱模型也受到其他觀測(cè)(如宇宙微波背景)的限制，但它并不是必需的。
通過(guò)將模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，Caputo及其同事推斷，暗光子質(zhì)量極小，僅約10 -14 eV/ c 2 ，會(huì)在附近低紅移萊曼阿爾法云團(tuán)中共振轉(zhuǎn)化為光子。該加熱機(jī)制平均為氣體中每個(gè)氫原子注入5 eV至7 eV的能量，足以解釋觀測(cè)結(jié)果。
此外，該研究小組推測(cè)暗光子加熱亦可發(fā)生于高紅移處的早期稠密云團(tuán)，那里曾經(jīng)符合共振條件。他們正在進(jìn)行模擬，看看這一推論能否與高紅移云團(tuán)的觀測(cè)一致。
不過(guò)美國(guó)羅格斯大學(xué)的Blakesley Burkhart認(rèn)為，可能不需要奇特的暗物質(zhì)模型來(lái)解釋萊曼阿爾法數(shù)據(jù)。她說(shuō)，雖然暗光子加熱令人興奮，但尚未排除傳統(tǒng)熱源，如活動(dòng)星系核超大質(zhì)量黑洞的噴流加熱。
荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的Sam Witte也認(rèn)為暗光子解釋難以置信，但他覺(jué)得研究團(tuán)隊(duì)給出了可信的途徑來(lái)檢驗(yàn)預(yù)言。他說(shuō)：“如果未來(lái)能排除傳統(tǒng)的天體物理解釋?zhuān)敲慈R曼阿爾法觀測(cè)數(shù)據(jù)很可能是關(guān)于暗物質(zhì)的首個(gè)非引力證據(jù)”。
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