為了符合副版標,是時候寫些關於物理的文章了~

這周末開始,我參加了在 Monterey 為期三天的 INPAC-MRPI conference,吃住全由conference包辦,相當棒。
而且聽到了一些目前對暗物質最新的進展,因此在這裡把我在會議中聽到的演講,以我所理解的方式簡介一下。

暗物質目前遇到了一個問題。先前我們所廣泛接受的暗物質模型是冷暗物質(cold dark matter 簡稱 CDM) 模型,此模型基本上假設暗物質是不與任何物質相互作用,包括自己,而且溫度是很低的。CDM 模型雖然在宇宙學的尺度上,與觀測符合得相當很好,然而卻在小尺度上有些差異。當我們以 CDM model 模擬宇宙結構並與實際觀測比較時,我們發現了兩個問題。第一是,CDM model 預測我們的銀河系應該有多於1000個的矮星系相伴(Dwaft satellites galaxy),然而我們實際觀測到的矮星系卻只有10(bright)~25左右,相當不符合。第二個問題是,當我們用 CDM 模型模擬銀河系的質量密度分部時,由於 CDM 不與自身交互作用,在接近銀河系中心的地帶,會有反比於 r (於銀河系中西的距離) 的發散,或稱為 cusp。然而我們所觀察到的密度分布,在銀河系中心是較為平緩的,像是個核心(core)。

對於第一個問題,可能的解答是因為我們的觀測還不足,我們目前所仔細搜尋過的天空只有銀河系北面的一小部分。目前有一些全天空銀河系搜尋計畫正在進行,也許這些觀測會發現更多之前沒看到的矮星系。

而對於第二個問題,目前大家提出了三種解答:
第一種是超星新的反饋(supernova feedback),這種看法假設在銀河系中心的超新星爆炸時,會將部分能量轉給暗物質,將暗物質給稍微吹離銀河系中心,降低密度。然而根據 James S. Bullock (今天的言講者之一)的模擬結果指出,這種機制所需要的超新星爆炸質量比銀河系現今所具有的恆星還多500倍,因此相當不可能。

第二種解答我並沒有聽得很懂,似乎是以銀河系所處在的環境(Environment),和一些強子的交互作用過程(Bartonic process) 來解釋,不過講者似乎認為不可能。

第三種解答是較為有趣的,他假設暗物質並不是冷的(Cold)或不自身交互作用的。暗物質也許是溫的(Warm Dark Matter 簡稱 WDM),或是有自我交互作用的(Self-interacting Dark Matter 簡稱 SIDM)。James Bullock 以這兩種暗物質分別做了模擬。

WDM 並沒有實際解決問題,模擬所得到的銀河系中心密度仍然很高(cusp),而沒有呈現平坦的 core。而且 WDM 因為溫度稍高,具有熱運動,能許形成的最小結構 (如矮星系大小) 比 CDM 要大,也就是說 WDM 把宇宙的 substructure 都給消除了。這與觀察結果並不相符。

SIDM 則相反,它基本上保存了宇宙結構的 substructure,跟 CDM 類似,而且最重要的是,它所預測的銀河系核密度比 CDM 預測的要低,是平坦的 Core。因此 James Bullock 認為 SIDM 基本上解決了 CDM 所面臨的問題。

然而此時有人就問了,著名的 Bullet cluster 不是已經說明了暗物質不互相交互作用的特性了嗎? (Bullet cluster 是一個著名星團碰撞觀測結果,它觀測到兩銀河系團相碰撞時,一般物質因為交互作用的影響,速度減慢,而暗物質,則似乎不受影響而直接穿越彼此。所以看到暗物質在碰撞後較一般發光物質移動的較遠的現象。) James Bullock 的回應是,Bullet cluster 實際上所給出的自我交互作用的碰撞截面 (cross section) 限制並沒有很大,只有 ~ 0.6 cm^2/g (實際上是個相當大的碰撞截面,根據同學的說法)。而 SIDM 只要求 cross section ~0.5 cm^2/g 就可以讓銀河系中心的密度分布降低2到符合觀測了。所以 Bullet cluster並沒有給出太大的限制。

(如果有專家看到有寫錯的部分還請幫忙指正。)

明天聽到有趣的在 PO 上來。

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