巨大的“El Gordo”星系團(tuán)暗示暗物質(zhì)會(huì)自行撞擊 _星系團(tuán)

“El Gordo”是已知存在的最龐大的星系團(tuán)之一。如果暗物質(zhì)是自相互作用的，那么它有一些奇怪的性質(zhì)可以解釋。（圖片來源：美國國家航空航天局、歐空局、J.Jee（加州大學(xué)戴維斯分校）、J.Hughes（羅格斯大學(xué)）、F.Menanteau（羅格s大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校）、C.Sifon（萊頓天文臺(tái)）、R.Mandelbum（卡內(nèi)基梅隆大學(xué)）、L.Barrientos（智利Catolica大學(xué)）和K.Ng（加州大學(xué)Davis分校））
據(jù)美國太空網(wǎng)（Robert Lea）：如果宇宙中最神秘的物質(zhì)暗物質(zhì)能夠與自身碰撞，那么在一個(gè)由合并星系組成的大質(zhì)量星系團(tuán)中的奇怪行為就可以得到解釋。然而，目前最受歡迎的宇宙學(xué)模型是冷暗物質(zhì)（CDM）模型，它表明暗物質(zhì)不是自相互作用的，因?yàn)樗慌c光相互作用，所以實(shí)際上是不可見的。
為了弄清這個(gè)難題的真相，意大利國際科學(xué)院天體物理學(xué)和宇宙學(xué)小組的研究人員開始模擬大質(zhì)量星系團(tuán)“El Gordo”（西班牙語的字面意思是“胖子”）內(nèi)發(fā)生的事情。它距離地球大約70億光年。
這一模擬揭示了碰撞星系的超星系團(tuán)的物理性質(zhì)——其質(zhì)量相當(dāng)于300億個(gè)太陽，官方命名為ACT-CL J0102-4915——可以用CDM的替代理論來解釋。這種替代理論被稱為自相互作用暗物質(zhì)（SIDM）模型。
顧名思義，這個(gè)模型假設(shè)，無論暗物質(zhì)由什么組成，物質(zhì)都可以與自身碰撞和相互作用。如果宇宙由SIDM模型準(zhǔn)確描述，這將意味著暗物質(zhì)粒子可以與自己交換能量。
一個(gè)“胖”暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室
暗物質(zhì)既不與光相互作用，也不與可見物質(zhì)相互作用，這一事實(shí)告訴科學(xué)家，暗物質(zhì)不可能由電子、質(zhì)子和中子組成的原子組成。這些是組成恒星、行星、衛(wèi)星和我們身體的部分。這些粒子共同是重子家族的一部分，因此日常物質(zhì)在技術(shù)上被稱為“重子物質(zhì)” 。
暗物質(zhì)與引力相互作用，因此它對(duì)空間結(jié)構(gòu)的影響可以影響重子可見物質(zhì)和光。這就是科學(xué)家們推斷暗物質(zhì)存在的方式。然而，暗物質(zhì)給物理學(xué)帶來了一個(gè)大問題。暗物質(zhì)粒子的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過重子粒子至少5比1，可能高達(dá)9比1，這意味著我們?cè)谟钪嬷锌吹降奈镔|(zhì)只是其實(shí)際含量的一小部分。
團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、SISSA科學(xué)家Riccardo Valdarini在一份聲明中表示：“根據(jù)目前公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，目前宇宙的重子物質(zhì)密度只能占其總物質(zhì)含量的10% 。其余90%以暗物質(zhì)的形式存在。” 。“人們普遍認(rèn)為，這種物質(zhì)是非生物的，由冷的無碰撞粒子組成，這些粒子只對(duì)重力有反應(yīng) 。
“然而，仍有一些觀測結(jié)果尚未使用標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行解釋。”

根據(jù)盛行的冷暗物質(zhì)模型顯示宇宙演化的圖表。對(duì)El Gordo的觀測可能會(huì)使該模型受到質(zhì)疑（圖片來源：NASA/LAMBDA檔案館/WMAP科學(xué)團(tuán)隊(duì)）
El Gordo由兩個(gè)獨(dú)立的星系亞簇組成，它們以每小時(shí)數(shù)百萬英里的速度碰撞。它是如此遙遠(yuǎn) ，以至于人們看到的是宇宙還不到目前年齡一半時(shí)的樣子。瓦爾達(dá)尼解釋說，像2012年發(fā)現(xiàn)的El Gordo這樣巨大而巨大的結(jié)構(gòu)為研究潛在的SIDM模型提供了完美的宇宙實(shí)驗(yàn)室。
瓦爾達(dá)尼說：“這些是大質(zhì)量的星系團(tuán)，巨大的宇宙結(jié)構(gòu)，在碰撞時(shí)決定了自大爆炸以來最具能量的事件。” 。“El Gordo是我們所知道的最大星系團(tuán)之一。由于其獨(dú)特性，El Gordo一直是眾多理論和觀測研究的主題。”
宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)問題
CDM標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型表明，當(dāng)星系團(tuán)中的星系碰撞和合并時(shí)，這種事件的氣體成分應(yīng)該與暗物質(zhì)成分不同，作為最初釋放的能量的一部分消散。
瓦爾達(dá)尼解釋道：“這就是為什么碰撞后，氣體質(zhì)量密度的峰值將落后于暗物質(zhì)和星系的峰值。” 。
SIDM模型表明，在這些碰撞過程中會(huì)發(fā)生一些不同的事情。在這個(gè)模型中，最大暗物質(zhì)質(zhì)量密度的點(diǎn)（被稱為“暗物質(zhì)質(zhì)心”）與碰撞星系的其他質(zhì)量成分之間存在物理分離。El Gordo的觀測似乎表明，這正是SIDM的特征。

這張El Gordo星系團(tuán)的照片結(jié)合了ESO超大望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像、SOAR望遠(yuǎn)鏡的圖像和NASA錢德拉X射線天文臺(tái)的X射線觀測結(jié)果。（圖片來源：ESO/SOAR/NASA）
El Gordo由兩個(gè)大質(zhì)量的星系亞星團(tuán)組成，分別命名為西北（NW）和東南（SE）。整個(gè)碰撞超星系團(tuán)的X射線圖像顯示，SE亞星團(tuán)中有一個(gè)X射線峰，兩條微弱細(xì)長的尾巴延伸到這個(gè)峰之外。
這些排放物的一個(gè)奇怪特征是不同質(zhì)量成分的峰值位置不同。與另一個(gè)由碰撞星系組成的大質(zhì)量超星系團(tuán)子彈星團(tuán)不同，El Gordo的X射線峰值先于SE暗物質(zhì)峰值。除此之外，埃爾戈多最亮的星團(tuán)星系（BCG）落后于X射線峰值，而且它似乎也偏離了SE的質(zhì)心。El Gordo的西北星團(tuán)也有一些奇怪的特征。在這個(gè)區(qū)域，星系的峰值密度在空間上偏離了相應(yīng)的質(zhì)量峰值。
為了解釋這些特征并可能驗(yàn)證SIDM模型，瓦爾達(dá)尼和團(tuán)隊(duì)對(duì)El Gordo進(jìn)行了一系列流體動(dòng)力學(xué)模擬，旨在重現(xiàn)觀測到的大質(zhì)量超星系團(tuán)的特征。
他繼續(xù)說道：“這項(xiàng)模擬研究最重要的結(jié)果是，如果暗物質(zhì)是自相互作用的，那么在‘El Gordo’星團(tuán)的不同質(zhì)心之間觀察到的相對(duì)分離就可以自然地得到解釋。” 。“因此，這些發(fā)現(xiàn)為暗物質(zhì)行為提供了一個(gè)明確的標(biāo)志，該行為在高能高紅移[非常遙遠(yuǎn)]的星團(tuán)碰撞中表現(xiàn)出碰撞性質(zhì) 。”
然而，SISSM研究人員也承認(rèn)，SIDM模型與El Gordo觀測結(jié)果以及模擬結(jié)果之間存在不一致之處，一些測量值高于該模型預(yù)測的此類集群合并的上限。
瓦爾達(dá)尼總結(jié)道：“這表明，目前的SIDM模型只應(yīng)被視為一種低階近似，描述主要星團(tuán)合并中暗物質(zhì)相互作用的基本物理過程比基于暗物質(zhì)粒子散射的通常假設(shè)方法更復(fù)雜。” 。“這項(xiàng)研究為碰撞星團(tuán)之間自相互作用暗物質(zhì)的可能性提供了一個(gè)令人信服的理由，作為標(biāo)準(zhǔn)無碰撞暗物質(zhì)范式的替代方案。”
該團(tuán)隊(duì)的研究于4月發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》雜志上。