天体物理学家解决了星系中暗物质分布的奥秘

在计算机上模拟的两个星系中的暗物质。它们之间的唯一区别是暗物质的性质。左侧无碰撞，右侧无碰撞。这项工作表明，真实星系中的暗物质看起来更像右侧的图像，比左侧的图像更不团块，更弥散。圆圈标志着银河系的尽头。

宇宙中的引力是从“大爆炸”中几乎统一的状态演变而来的，直到现在物质集中在星系，恒星和行星中时，这种引力是由“暗物质”提供的。但是，尽管这种额外的材料起着至关重要的作用，但我们对其本质，行为和组成几乎一无所知，这是现代物理学的基本问题之一。在最近的一篇《天文学与天体物理学快报》中，加拿大加纳里亚斯天文学研究所（IAC）/拉古纳大学（ULL）和布宜诺斯艾利斯省西北国立大学（阿根廷胡宁）的科学家们研究表明，星系中的暗物质遵循“最大熵”分布，从而揭示了其性质。

暗物质占宇宙物质的85％，但暗物质的存在仅在天文尺度上显示。也就是说，由于相互作用弱，只有在大量存在时才可以注意到净效果。由于它很难冷却，因此它形成的结构通常比行星和恒星大得多。由于暗物质的存在仅在大规模范围内出现，因此其性质的发现可能必须通过天体物理学研究来确定。

最大熵

要说暗物质的分布是根据最大熵（相当于“最大无序”或“热力学平衡”）来组织的，则意味着它处于最可能的状态。为了达到这种“最大紊乱”，暗物质必须像气体分子那样在自身内部发生碰撞，以达到平衡其密度，压力和温度的平衡。但是，我们不知道暗物质如何达到这种平衡。

IAC研究员JorgeSánchezAlmeida表示：“例如，与空气中的分子不同，由于引力作用微弱，暗物质粒子几乎不应该相互碰撞，因此它们达到平衡的机理是个谜。”谁是本文的第一作者。他补充说：“但是，如果他们确实发生了碰撞，那将赋予他们一种非常特殊的天性，这将在一定程度上解决其起源的神秘性。”

在矮星系中已经检测到最大的暗物质熵，而暗星与总物质的比率要比更大质量的星系高，因此更容易看到它们的作用。但是，研究人员希望这是所有类型星系中的普遍行为。

该研究表明，热力学平衡中的物质分布具有较低的中心密度，这是天文学家在许多实际应用中所假定的，例如在正确解释引力透镜时，或者在设计实验以通过其自hil灭检测暗物质时，中心密度要低得多。

该中心密度是用引力透镜正确解释光的曲率的基础：如果密度较小，则透镜的作用会较小。要使用引力透镜测量银河系的质量，需要一个模型，如果更改此模型，则测量值也将发生变化。

中心密度对于尝试使用自身self灭检测暗物质的实验也非常重要。在一个极不可能的过程中，两个暗物质粒子可能相互作用并消失，但这是其性质的特征。为了使两个粒子相互作用，它们必须碰撞。这种碰撞的可能性取决于暗物质的密度。暗物质的浓度越高，粒子碰撞的可能性就越高。

出于这个原因，如果密度发生变化，则自-灭的预期生产率也会改变，并且鉴于实验是根据给定速率的预测进行设计的，因此，如果该速率非常低，则实验不太可能产生积极的结果。桑切斯·阿尔梅达（SánchezAlmeida）说。

最后，暗物质的热力学平衡也可以解释星系的亮度分布。这种亮度以特定的方式随距星系中心的距离而下降，其物理起源尚不清楚，但研究人员正为此努力证明，它是具有最大熵的平衡的结果。

模拟与观察

数十年来，银河系中心暗物质的密度一直是个谜。模拟的预测（高密度）与观察到的预测（低值）之间存在很大差异。天文学家提出了许多类型的机制来解决这一主要分歧。

在本文中，研究人员已经证明，使用基本物理原理，可以在暗物质处于平衡状态（即暗物质具有最大熵）的假设下复制观察结果。该结果的后果可能非常重要，因为它们表明暗物质已经与其自身和/或与其余的“正常”（重子）物质交换了能量。

IAC研究人员伊格纳西奥·特鲁希略（Ignacio Trujillo）表示：“与宇宙时代相比，在如此短的时间内达到平衡的事实，可能是暗物质与正常物质之间除了相互作用之外还发生了某种相互作用的结果。”以及本文的合著者。“需要探索这种机制的确切性质，但是了解到底是什么构成了宇宙总物质的组成部分，其后果可能会令人着迷。”

参考：乔治·桑切斯·阿尔梅达，伊格纳西奥·特鲁希略和安吉尔·里卡多·普拉斯提诺的《最大熵原理解释了在矮星系质量分布中观察到的核心》，2020年10月12日，《天文学与天体物理学快报》。
10.1051/0004-6361/202039190