潛伏在我們銀河系中心的暗矮星可能暗示了暗物質(zhì)的性質(zhì) _銀河系

暗矮星的藝術(shù)表現(xiàn) 。圖片來源：Sissa Medialab
據(jù)SISSA媒體實驗室：被稱為暗矮星的天體可能隱藏在我們銀河系的中心，并可能為揭示當(dāng)代宇宙學(xué)中最神秘和最基本的現(xiàn)象之一——暗物質(zhì)的本質(zhì)提供關(guān)鍵線索。
英國和夏威夷的一個研究小組在《宇宙學(xué)和天體粒子物理學(xué)雜志》上發(fā)表的一篇論文首次描述了這些天體，并提出了如何使用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡等現(xiàn)有觀測工具來驗證它們的存在。這篇論文的標(biāo)題是“暗矮星：銀河系中心等待發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)驅(qū)動的亞恒星天體”
這項研究背后的英美團(tuán)隊將它們命名為暗矮星。不是因為它們是暗天體，而是因為它們與暗物質(zhì)的特殊聯(lián)系，暗物質(zhì)是當(dāng)前宇宙學(xué)和天體物理學(xué)研究中最核心的課題之一。
夏威夷大學(xué)物理學(xué)教授、該研究的作者之一杰里米·薩克斯坦解釋說：“我們認(rèn)為，宇宙的25%是由一種不發(fā)光的物質(zhì)組成的，這使得我們的眼睛和望遠(yuǎn)鏡無法看到它。我們只能通過它的引力效應(yīng)來探測它。這就是為什么我們稱之為暗物質(zhì) 。” 。
我們今天對暗物質(zhì)的了解是它的存在及其行為方式，但還不清楚它到底是什么。在過去的50年里，已經(jīng)提出了幾個假設(shè)，但還沒有一個收集到足夠的實驗證據(jù) 。Sakstein及其同事的研究很重要，因為它們提供了打破僵局的具體工具。
最著名的暗物質(zhì)候選者是弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）——與普通物質(zhì)相互作用非常弱的非常大的粒子：它們在不被注意的情況下穿過物體，不發(fā)光，對電磁力沒有反應(yīng)（所以它們不會反射光，保持不可見），并且只通過它們的引力效應(yīng)來顯示自己。這種類型的暗物質(zhì)對于暗矮星的存在是必要的。
Sakstein解釋說：“暗物質(zhì)與引力相互作用，因此它可以被恒星捕獲并積聚在恒星內(nèi)部。如果發(fā)生這種情況，它也可能與自身相互作用并湮滅，釋放出加熱恒星的能量。” 。
像我們的太陽一樣，普通恒星之所以發(fā)光，是因為核聚變過程發(fā)生在它們的核心，產(chǎn)生大量的熱量和能量。當(dāng)恒星的質(zhì)量足夠大，引力將物質(zhì)壓縮到中心，其強(qiáng)度足以引發(fā)原子核之間的反應(yīng)時，就會發(fā)生聚變。這個過程釋放了大量的能量，我們把它看作光。暗矮星也會發(fā)光，但不是因為核聚變。
Sakstein解釋說：“暗矮星是質(zhì)量非常低的天體，約占太陽質(zhì)量的8% 。” 。如此小的質(zhì)量不足以引發(fā)聚變反應(yīng) 。
因此，盡管這些物體在宇宙中很常見，但它們通常只會發(fā)出微弱的光（由于它們相對較小的引力收縮產(chǎn)生的能量），科學(xué)家們稱之為褐矮星。
然而，如果褐矮星位于暗物質(zhì)特別豐富的區(qū)域，比如我們銀河系的中心，它們可以轉(zhuǎn)化為其他東西。
Sakstein解釋說：“這些物體收集的暗物質(zhì)有助于它們成為暗矮星。你周圍的暗物質(zhì)越多，你能捕獲的就越多。” 。“而且，恒星內(nèi)部的暗物質(zhì)越多，其湮滅產(chǎn)生的能量就越多。”
但這一切都依賴于一種特定類型的暗物質(zhì) 。Sakstein說：“為了使暗矮星存在，暗物質(zhì)必須由WIMP或任何與自身強(qiáng)烈相互作用以產(chǎn)生可見物質(zhì)的重粒子組成。” 。
其他提出解釋暗物質(zhì)的候選者，如軸子、模糊超輕粒子或無菌中微子，都太輕了，無法在這些物體中產(chǎn)生預(yù)期的效果。只有能夠相互作用并湮滅成可見能量的大質(zhì)量粒子才能為暗矮星提供能量。
然而，如果沒有一種具體的方法來識別暗矮星，那么整個假設(shè)就沒有什么價值。因此，Sakstein和他的同事提出了一種獨特的標(biāo)記。這位科學(xué)家解釋說：“有一些標(biāo)記，但我們建議使用鋰-7，因為這確實是一種獨特的效應(yīng) 。” 。
鋰-7很容易燃燒，在普通恒星中很快就會被消耗掉。“因此，如果你能找到一個看起來像暗矮星的物體，你可以尋找這種鋰的存在，因為如果它是褐矮星或類似的物體，它就不會存在。”
詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡等工具可能已經(jīng)能夠探測到暗矮星等極冷的天體。但是，根據(jù)Sakstein的說法，還有另一種可能性。“你可以做的另一件事是觀察整個物體群體，并以統(tǒng)計的方式詢問，是否有一個子群體的暗矮星更好地描述它。”
如果在未來幾年我們能夠識別出一顆或多顆暗矮星，那么這條線索對暗物質(zhì)是由WIMP組成的假設(shè)的支持程度有多強(qiáng)？
Sakstein總結(jié)道：“相當(dāng)強(qiáng) 。對于亮暗物質(zhì)候選者，比如軸子，我認(rèn)為你無法得到類似暗矮星的東西。它們不會在恒星內(nèi)部積累。如果我們設(shè)法找到一顆暗矮星，它將提供令人信服的證據(jù)，證明暗物質(zhì)很重，與自身有強(qiáng)烈的相互作用，但與標(biāo)準(zhǔn)模型的相互作用很弱。這包括WIMP的類別，但也包括一些其他更奇特的模型。” 。
觀察暗矮星并不能最終告訴我們暗物質(zhì)是WIMP，但這意味著它要么是WIMP要么在所有意圖和目的上都表現(xiàn)得像WIMP 。