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上海交大物理与天文学院沈俊太课题组在模糊暗物质研究领域取得重要进展

       上海交通大学物理与天文学院沈俊太教授领导的星系动力学团组近期利用银河系中心分子区的最新观测数据来限制“模糊暗物质”模型的参数,取得重要进展。该研究成果已发表在国际权威期刊《天体物理期刊》(The Astrophysical Journal)。论文第一作者为李政道研究所李智博士,沈俊太教授为通讯作者,台湾大学的薛熙于博士是另一合作者。

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       这项研究成果在8月14日被美国天文学会网站AAS Nova选为研究亮点,以“当暗物质变得模糊时”(When Dark Matter Gets Fuzzy)为题在网站头条报道。该网站每周从美国天文学会出版的众多天文期刊中选出不超过5篇论文作为研究亮点专门撰文予以报道介绍。

       在现有理论框架下,标准冷暗物质模型(CDM)非常成功地解释了宇宙大尺度结构的许多问题,但其在星系尺度上和一些观测符合得并不是很理想。一些研究认为暗物质粒子并非冷暗物质模型所期待的“弱相互作用大质量粒子(WIMP粒子)”,而是由非常轻的轴子(axion,质量约为10-22电子伏特)构成。这些粒子的德布罗意物质波波长恰好处于星系尺度,并在该尺度上表现出波的特性,因此被称为模糊暗物质(Fuzzy Dark Matter,FDM)模型,或量子波暗物质模型。模糊暗物质模型既可以保留冷暗物质模型在大尺度结构方向上的成功之处,也能降低卫星星系的数目,并自然产生一个具有平缓密度轮廓的星系核(core),从而避免冷暗物质模型在小尺度的困难,因此逐渐成为一个非常流行的暗物质理论模型。

       模糊暗物质模型的一个重要预言是暗物质会在星系中心形成“孤子核(soliton core)”,这是由于超轻轴子处于基态能量时会发生波色-爱因斯坦凝聚,继而在星系中心堆积。太阳所处的银河系是检验这一预言的绝佳对象。太阳距银心仅2.5万光年,这使得课题组可以精确地观测星系中心的特性。此前的研究发现类似银河系大小的星系中心的孤子核尺度约为几百光年,质量为109 M☉左右(M☉:太阳质量),但这些值的不确定性较大。课题组注意到在距银河系中心650光年处存在一个环状的“中心分子区(Central Molecular Zone, CMZ)”,而且这一结构的尺度和FDM模型预言的孤子核在同一量级,这就使得课题组可以利用银河系中心分子区特征限制模糊暗物质模型。

       利用高精度流体数值模拟研究银河系中心可能存在的孤子核的特性,并由此限制轴子的质量。实验的结果表明CMZ的尺寸和运动学特征可以很好地限制银河系内部几百光年内的质量分布。在不考虑孤子核存在的前提下,需要在模型内引入一个尺度约650光年且非常致密的“核区核球”成分,同时假设该成分的质光比随半径变化,才能与CMZ的观测符合。该核区核球最初由COBE卫星4.9微米波段观测到,但由于银盘尘埃消光严重,很难准确测量恒星质光比。如果核区核球的质光比较小(约0.5)且不随半径变化,需要再引入一个质量约为4.0×108 M☉,尺度半径约为160光年的孤子核才可以使模型中的中心分子区的大小和运动学特征与观测较为一致。产生这种大小的孤子核需要模糊暗物质粒子的质量在(2-7)×10-22电子伏特内。课题组的工作表明,如果银河系中心恒星的质光比可以被测量得更加准确,那么模糊暗物质模型参数可被进一步约束限制。

       该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、上海交通大学等机构的资助。

       附相关文章链接:

       AAS报道原文:https://aasnova.org/2020/08/14/when-dark-matter-gets-fuzzy/

       AAS报道翻译:http://tdli.sjtu.edu.cn/files/docs/202008/20200817/ed26fbd1-d3c5-453d-8a33-b7a1a19674e0/AAS_news_in_Chinese.pdf

       论文链接: “Testing the Prediction of Fuzzy Dark Matter Theory in the Milky Way Center,” Li, Shen* & Schive 2020 ApJ 889 88, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab6598

沈俊太
物理与天文学院

       

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