清华大学物理系在暗物质研究方面取得进展

近期,清华大学物理系副教授安海鹏和博士后杨大能与加州大学河滨分校教授郁海波合作,通过研究发现两个缺少暗物质的特殊星系NGC1052-DF2和-DF4(简称DF2和DF4)的形成可能与暗物质自相互作用有关。该项工作还进一步展示了重子物质过程对暗物质的反馈效应不能在我们考虑的情形下产生DF2或DF4的观测结果。该文章的结果显示,缺少暗物质的星系可能成为探测暗物质的粒子物理性质的重要途径。

2018年耶鲁课题组利用Dragonfly望远镜发现了两个缺少暗物质的特殊星系DF2和DF4。在标准宇宙学模型中,暗物质的能量密度为重子物质的五倍,速度很低而且没有证据显示其存在引力之外的相互作用。根据这样的理论假设,人们预期在一个DF2或DF4这样的星系中暗物质的质量将数百倍重于其中的重子物质质量。然而观测的结果却告诉我们,DF2和DF4星系在误差范围内都近乎没有暗物质。在传统的冷暗物质模型中,要产生DF2或DF4这样的星系需要非常弥散的初始暗物质晕,集中度4倍低于宇宙学预期的中位数。这不由让人困扰它们是如何形成的,同时也让人质疑冷暗物质模型在小尺度结构上的正确性。杨大能博士、郁海波教授和安海鹏副教授通过研究发现,如果引入暗物质的自相互作用,只要这个集中度低于一至两倍的宇宙学预期中位数,就能产生DF2或DF4这样的星系。

清华大学物理系在暗物质研究方面取得进展

一个类似DF2的星系在NGC1052引力势中的演化。潮汐剥夺效应对暗物质组分非常剧烈,使得演化后的卫星有着类似的暗物质和重子物质质量。图中虚线对应模拟的初始条件,实线对应演化后的结果,暗物质组分为灰色,重子物质组分为紫色。

该研究成果发表于2020年9月9日的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上并获得编辑推荐。该工作主要由安海鹏研究组的博士后杨大能完成,杨大能为文章第一作者;杨大能、郁海波、安海鹏为文章的共同通讯作者。该工作得到了清华大学理科提升计划(“双E计划”)和国家自然科学基金委面上项目的支持。

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