研究結果顯示暗物質彼此相互作用的程度可能比之前預想的還要少

利用美國宇航局/歐洲航天局哈勃太空望遠鏡和美國宇航局錢德拉X射線天文台的觀測，天文學家們研究了星系群里的暗物質在星系發生碰撞時的特性。研究結果顯示暗物質彼此相互作用的程度可能比之前預想的還要少，這進一步縮小了這一神秘物質究竟是什麼的可能性範圍。

暗物質究竟是什麼是宇宙學裡懸而未決的大謎題。宇宙里暗物質的量比可見物質的還要多，但它非常難以捉摸;它不會反射、吸收或者釋放光，這使得它不可見。正因這個原因，它的存在只能通過它對可見宇宙施加的引力效應來推測。

為了更好的了解這個神秘物質，研究人員以類似研究可見物質的實驗——也就是觀察它與其他事物發生碰撞時的情形——對它進行了調查。研究人員對星系的大量集合，也被稱為星系群進行了調查。涉及暗物質的星系群之間碰撞發生的非常自然，且發生次數非常多，這使得研究人員能夠觀察到碰撞所產生的效應。

星系包含三大主要的組成部分：恆星、氣體雲和暗物質。在碰撞過程中， 擴散至整個星系的氣體雲會在碰撞後減慢或者停下來。恆星受到的氣體拖拽力較少，且由於彼此之間巨大的空隙，因此對彼此沒有減慢效應——儘管如果兩顆恆星碰撞，產生的摩擦力將是巨大的。

「我們知道恆星和氣體在宇宙碰撞過程中的特性，以及它們在碰撞殘骸里的位置。對比暗物質的行為可以幫助我們縮小確定它本質的可能性的範圍。」 研究首席作者、瑞士瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)的大衛·哈維(David Harvey)這樣說道。

哈維和他的研究小組利用美國宇航局/歐洲航天局哈勃太空望遠鏡和美國宇航局錢德拉X射線天文台觀察了72次大型星系群碰撞。這些碰撞發生在不同時間，且觀測角度各異——有的從側面觀測而其他的從正面觀察。研究小組發現，和恆星一樣，暗物質在星系猛烈的碰撞過程中並不會減慢速度。然而，與恆星不同的地方在於，這並非因為碰撞過程中暗物質彼此相距甚遠。主導理論認為暗物質均勻分布在整個星系群里，因此暗物質粒子會頻繁的近距離接觸彼此。暗物質不會減慢的原因在於它們不僅不會與可見粒子發生相互作用，它們與其它暗物質發生相互作用的程度也比之前預想的更少。

「之前的一項研究在子彈星系團里觀察到相似的行為。」研究小組成員、英國杜倫大學的理查德·梅西(Richard Massey)這樣說道。「但是如果你只有一個例子，那麼解譯所觀察到的現象就非常困難。每一次碰撞都要幾億年時間，因此從人的一生的角度看，我們只能窺探這一動態事件的其中一幀畫面。現在，我們研究了這麼多次碰撞，開始逐漸拼湊出整部動態電影，從而更好地理解具體發生了什麼。」

通過確定暗物質彼此相互作用比之前預想的更少，研究小組可以縮小暗物質特性的範圍。粒子物理學理論學家還必須繼續尋找，但他們在建立模型時需要考慮的未知因素就少了一些。

暗物質可能具有非常豐富和複雜的特性，同時還有好幾種其它的相互作用需要研究。這項最新結果排除了創造強大摩擦力的相互作用，後者會導致暗物質在碰撞過程中減慢。其它可能的相互作用可能會導致暗物質粒子彼此反彈，就像撞球一樣，它們可能在碰撞過程中被拋出，或者改變形狀。研究人員計劃接下來對這些問題展開調查。

為了進一步增加可以研究的碰撞數量，研究小組還在尋找涉及單個星系的碰撞，這類碰撞相對普遍。「暗物質還有好幾個可行的候選者，因此遊戲尚未結束，但我們距離問題的答案又近了一步，」 哈維總結說道。「這些『天文學巨大』的粒子碰撞使得我們最終可以一窺遙不可及的黑暗世界。」

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