科学家们模拟早期星系形成的暗物质宇宙是超轻，或“模糊”，而不是冷或温暖。
暗物质很可能是孕育宇宙中第一批星系的起始成分。不久之后大爆炸暗物质粒子会在引力“光晕”中聚集在一起，把周围的气体拉进它们的核心，随着时间的推移，这些气体冷却并凝结成第一个星系。
尽管暗物质被认为是宇宙结构的主干，但科学家们对它的本质知之甚少，因为到目前为止，这些粒子没有被探测到。
现在科学家们麻省理工学院,普林斯顿大学剑桥大学发现，根据暗物质的性质，早期宇宙和最初的星系看起来会很不一样。第一次，研究小组模拟了如果暗物质是“模糊的”而不是冷的或温暖的，早期星系的形成会是什么样子。
在最广泛接受的情况下，暗物质是冷的，由缓慢移动的粒子组成，除了引力效应外，与普通物质没有任何相互作用。温暖的暗物质被认为是冷暗物质的一个稍微更轻和更快的版本。模糊暗物质是一个相对较新的概念，它是完全不同的，由超轻粒子组成，每个粒子约1八度(10倍)。-27)一个电子的质量(一个冷的暗物质粒子要重得多--大约10。5是电子质量的两倍)。
在他们的模拟中，研究人员发现，如果暗物质是冷的，那么早期宇宙中的星系就会形成近球形光晕。但是，如果暗物质的性质是模糊的或温暖的，那么早期的宇宙就会看起来非常不同，星系首先形成在延伸的尾状细丝中。在一个模糊的宇宙中，这些细丝会出现条纹，就像竖琴上星光闪烁的弦。
随着新的望远镜投入使用，能够更深入地观察早期宇宙，科学家们也许能够从星系形成的模式中推断出暗物质的性质--现在暗物质占宇宙物质的近85%--相对于冷或热，它是否是模糊的。
“早期宇宙中的第一个星系可能会照亮我们今天的暗物质类型，”麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的物理副教授MarkVogelsberger说。“要么我们看到这个细丝图案，模糊的暗物质是可信的，要么我们没有，我们可以排除这个模型。”我们现在有了一个如何做到这一点的蓝图。“
Vogelsberger是今天出版的一篇论文的合著者。物理评论信，和论文的主要作者，普林斯顿大学的菲利普·莫兹和剑桥大学的阿纳斯塔西娅·菲亚科夫，以及之前的苏塞克斯大学。
模糊波
虽然暗物质尚未被直接探测到，但将暗物质描述为冷的假说已被证明成功地描述了可观测宇宙的大尺度结构。因此，星系形成的模型是基于暗物质冷的假设。
“问题是，在观察和预测冷暗物质之间有一些差异，”Vogelsberger指出。“例如，如果你看看非常小的星系，推断出暗物质在这些星系中的分布并不完全符合理论模型的预测。因此，这里存在紧张局势。“
然后，进入研究人员近年来提出的关于暗物质的替代理论，包括暖理论和模糊理论。
“暗物质的性质仍然是一个谜，”菲亚科夫说。“模糊暗物质的动机是基础物理学，例如弦理论，因此是一个有趣的暗物质候选。宇宙结构是验证或排除此类暗物质模型的关键。“
模糊的暗物质是由如此轻的粒子组成的，它们以一种量子的、波状的方式作用，而不是单个的粒子。莫兹说，这种模糊的量子性质可能会产生早期星系，这些星系看起来与标准模型预测的冷暗物质完全不同。
莫兹说：“尽管在晚期宇宙中，这些不同的暗物质场景可能预示着星系的相似形状，但第一个星系将是惊人的不同，这将给我们一个暗物质是什么的线索。”
为了观察寒冷和模糊的早期宇宙可能有多大的不同，研究人员模拟了早期宇宙的一个小的立方体空间，直径约万光年，并将其向前移动，以观察在三种暗物质场景中的一种：寒冷、温暖和模糊，星系将如何形成。
研究小组开始了每一次模拟，假设暗物质的某种分布，科学家对此有一些想法，基于宇宙微波背景的测量--宇宙微波背景--宇宙大爆炸发出的“遗迹辐射”，并在40万年后才被探测到。
Vogelsberger说：“即使在早期，暗物质也没有固定的密度。”“在恒定密度场的顶部有微小的扰动。”
研究人员能够使用现有的算法来模拟在冷暖暗物质的情况下星系的形成。但是为了模拟模糊的暗物质，由于它的量子性质，他们需要一种新的方法。
竖琴弦图
研究人员修改了他们对冷暗物质的模拟，使其能够解决两个额外的方程，以模拟模糊暗物质宇宙中的星系形成。第一种是Schrdinger方程，描述了量子粒子是如何起波作用的；第二种是Poisson方程，描述了波是如何产生密度场或暗物质分布的，以及这种分布是如何导致引力的--这种力最终将物质拉进物质形成星系。然后，他们将这一模拟耦合到一个模型，该模型描述了宇宙中气体的行为，以及气体在引力效应下凝结成星系的方式。
在这三种情况下，星系都是在密度过大的地方形成的，或者是大量的重力塌陷暗物质。然而，这种暗物质的模式是不同的，取决于它是冷的，温暖的，还是模糊的。
在冷暗物质的场景中，星系形成于球形光晕，以及较小的亚晕。温暖的暗物质在尾状细丝中产生了第一个星系，而没有暗晕。这可能是由于温暖的暗物质更轻，更快的性质，使粒子不太可能停留在较小的，晕团。
与温暖的暗物质相似，模糊的暗物质沿着细丝形成恒星。但随后，量子波效应取代了形成星系的过程，形成了更多条纹状的细丝，就像无形竖琴上的弦一样。Vogelsberger说，这种条纹图案是由于干扰造成的，这种影响发生在两个波重叠时。当这种情况发生时，例如在光波中，每个波的波峰和波谷排列在一起的点形成了更暗的斑点，形成了明亮和黑暗区域的交替模式。
在模糊暗物质的情况下，它不产生亮点和暗点，而是产生了暗物质密度过高和密度过低的交替模式。
Vogelsberger解释说：“在这些超密度点上，你会受到很大的引力，气体会随之产生，并且在某个时候会沿着这些超密度形成星系，而不是低密度。”“这幅画将在整个早期宇宙中复制。”
该团队正在对早期星系在一个由模糊暗物质控制的宇宙中的样子进行更详细的预测。他们的目标是为即将到来的望远镜提供一张地图，比如詹姆斯·韦伯太空望远镜，这也许能够在时间上向后看得足够远，以发现最早的星系。如果他们看到像莫兹、菲亚科夫、沃格尔和他们的同事所模拟的那样的丝状星系，这可能是暗物质性质模糊的第一个迹象。
Vogelsberger说：“根据对早期宇宙的观测，我们可以为暗物质的性质提供观测测试，这在未来几年内将变得可行。”
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