宇宙间的暗物质你了解吗？它可能比任何人想象的都要奇怪

宇宙学家说，暗物质可能比任何人想象的还要奇怪，他们提出这种神秘物质占宇宙质量的80%以上，可以与自身相互作用。加州大学河滨分校物理学和天文学助理教授Flip Tanedo在一份声明中说："我们生活在暗物质的海洋中，但我们对暗物质可能是什么知之甚少。

每一次试图用已知的物理学来解释暗物质的尝试都来之不及，因此Tanedo和他的合作者正在开发可能更符合观测结果的外来模型。他们问：如果暗物质通过连续的力相互作用，在比我们通常的三个更大的空间中活动呢？这听起来有些疯狂，但他们的模型能够比传统的简单暗物质模型更好地解释小星系中恒星的行为。所以值得一试。

尽管宇宙学家不知道暗物质的身份，但他们确实知道暗物质的一些特性。所有观测表明，暗物质是由某种新型粒子构成的，而物理学以前并不了解这种粒子。这个粒子淹没了每个星系，占它们质量的80%以上。如果有的话，这个粒子不能与光产生太大的相互作用（否则我们现在在天文观测中就会看到它）。它不能与正常物质进行太大的相互作用，如果在所有（否则我们会看到它在粒子对撞机实验）。

综合这些特性，宇宙学家能够对宇宙中大型结构的演化进行复杂的计算机模拟。这些模拟通常与观测结果相符，并有一个有趣的警告。这张简化的暗物质图片预测，小星系的核心暗物质密度应该很高（被宇宙学家称为"尖峰"模型），但观测结果却表明暗物质密度相对平坦，因此暗物质必须均匀地分布在整个小星系中（称为"核心模型"）。

几十年来，这个"核心尖峰"问题一直是暗物质研究的棘手问题。成功的暗物质模型必须能够解释大小星系的行为，以及所有其他暗物质观测。一种这样的模型被称为自相互作用的暗物质，就像这个名字所暗示的，暗物质偶尔会与自身相互作用，这意味着暗物质粒子有时可以相互反弹，甚至互相毁灭。这种自我交互使高暗物质密度的区域变得平滑，将小星系中的小星系变成核。

问题解决了，对吧？不完全是这样：相互作用的暗物质模型很难与其他观测结果相匹配，例如星系透镜（当来自大量物质的引力扭曲并放大其背后某些星系的光时）和早期宇宙中星系的生长。然而，这些仍然表现不佳的模型是基于已知的物理相互作用，这些相互作用是通过自然的四种基本力之一发生的。电子通过电磁力相互作用。夸克通过强大的力量相互作用。等等。但是，如果简单地将已知的物理学输出到暗物质领域是短暂的，也许是时候看看全新的力量了。

Tanedo和他的合作者试图这样做，并在6月1日发表在《高能物理杂志》上的一篇论文中描述了他们的工作。他们的新模型极大地扩展了暗物质相互作用的可能模型，使未知的力量得以发挥作用。田中真纪子在声明中说："我过去两年的研究计划的目标是将暗物质'说话'的想法扩展到黑暗势力。"在过去的十年里，物理学家们开始认识到，除了暗物质之外，隐藏的暗力可能控制暗物质的相互作用。这些可以完全改写如何寻找暗物质的规则。

田中对暗物质的方法涉及两个令人惊讶的特征。其一，该模型不是连接暗物质粒子的单一力，而是包含无限范围的新力协同工作。第二，模型需要宇宙的额外维度，所以需要四维空间，无限光谱的力，每个以具有不同质量的新粒子表示，在构建暗物质粒子如何相互作用的理论时，允许有很大的灵活性。虽然在日常物理学的世界中，这种理论是无法与之相对应的，但天体物理学家已经知道暗物质不一定照常的规则来演戏。

在解释已知物理学的理论中，当两个粒子相互作用时，它们通过交换单一的力携带粒子来做到这一点。例如，两个电子通过交换光子（电磁力的载体）相互反弹。但是，这种新模型用连续体或频谱的相互作用取代了单一的相互作用，所有这些相互作用都协同工作，使交互发生。Tanedo在声明中说："我的研究计划针对的是我们对粒子物理学的假设之一：粒子的相互作用通过交换更多的粒子来描述。"虽然普通物质也是如此，但没有理由认为暗物质是这样的。它们的相互作用可以通过一个连续的交换粒子来描述，而不仅仅是交换单一类型的力粒子。

至于增加一个额外的维度，田田的团队借用了其他高能粒子物理学理论中使用的技巧。通过一个显着的，但尚未充分证明的概念，被称为AdS/CFT通信（"AdS"代表范德西特，这是一种时空，"CFT"代表顺从场理论，这是量子理论的一类），一些物理问题，是极其难以解决的，在我们的正常3D空间变得更容易处理时扩展到四维空间。通过运用这一数学技巧，Tanedo和他的合作者能够解决暗物质之间的力量如何相互作用的问题。然后，他们可以将结果转化为空间的三维，并预测这些力在真实宇宙中如何运作。他们发现这些力量的行为与我们习惯的自然力量大相径庭。

Tanedo 说："对于我在入门物理课程中教授的引力或电力，当您将两个粒子之间的距离增加一倍时，您将力降低了四倍。另一方面，连续力减少了多达 8 倍。这种对暗物质粒子相互作用的修改使研究人员能够建立与小星系观测结果相匹配的模拟，从而赋予它们一个类似"核心"的暗物质轮廓，而不是传统暗物质模型中看到的"粘性"特征。这些结果类似于其他相互作用的暗物质模型，这些暗物质也可能重现"粘性"中心，但这一理论来自一个可能具有其他观测结果的全新理论方向。

因此，还有很多工作要做。宇宙学家使用暗物质来解释宇宙中许多不同的观测结果，其尺度多种多样。进一步的工作将揭示这个奇异的理论是否与我们看到的宇宙相匹配。

最初发表在《现场科学》上。