科學家試圖通過增加宇宙維度來解釋暗物質

暗物質的奇特性質可能超出了任何人的想象。通過一項新的模擬研究，宇宙學家認為這種占宇宙質量80%以上的神秘物質可以相互作用。

暗物質粒子之間可能會發生相互作用

研究作者之一、美國加州大學河濱分校物理學和天文學助理教授弗利普·塔內多在一份聲明中說：“我們生活在暗物質的海洋中，但我們對它可能是什么知之甚少。”

過去幾十年來，每一次試圖用已知物理學解釋暗物質的嘗試都失敗了，因此塔內多和他的合作者們希望開發更好的模型，以更精確地匹配觀測結果。他們提出的一個問題是，如果暗物質在一個比三維更多維的空間中，以連續的力發生自相互作用會怎樣？這聽起來很不可思議，但他們以此建立的模型確實比傳統的簡單暗物質模型能更好地解釋小型星系中恒星的行為。所以，這個問題值得再深入探討一番。

小星系，大問題

盡管宇宙學家還不知道暗物質的“身份”，但他們已經對它的一些基本屬性有所了解。所有的觀測結果都表明，暗物質是由某種物理學上未知的新粒子組成的。這種粒子充斥著每個星系，占宇宙質量的80%以上。它們不會與光有太多的相互作用，如果有的話，我們或許已經在天文觀測中看到它們了。而且，這種粒子也肯定不會與正常物質發生顯著的相互作用，如果有的話，我們可能就會在粒子對撞機實驗中看到它們。

綜合這些特性，宇宙學家得以建立復雜的計算機模擬程序，以重現宇宙中大型結構的演化。這些模擬通常與觀察結果相符，但需要注意一個有趣的問題。據這個簡化的暗物質模型預測，小型星系的核心應該是具有非常高密度的暗物質，宇宙學家將這種模型稱為“尖峰”（cusp）模型;然而，目前的觀測結果表明，暗物質的密度是相對平坦的，因此這些神秘的物質必須均勻地分散在整個小星系，該模型被稱為“核心”（core）模型。

幾十年來，這個“峰-核”問題一直困擾著暗物質領域的研究者。一個成功的暗物質模型必須能夠解釋大小星系的行為，以及其他關于暗物質的觀測結果。對該問題有一個較為流行的解釋，被稱為“自相互作用暗物質模型”（SIDM）。顧名思義，該模型預測了暗物質偶爾會與自身發生相互作用，這就意味著暗物質粒子有時會相互碰撞，甚至發生湮滅。這種自相互作用使高暗物質密度的區域變得平坦，在小型星系中使“尖峰”變成了“核心”。

問題的核心

那么，這個問題解決了嗎？并沒有完全解決，因為自相互作用暗物質模型很難匹配其他觀測結果，比如星系透鏡效應（大質量物體的引力扭曲并放大了來自其背后特定星系的光），以及早期宇宙中星系的成長。

不過，這些缺點明顯的模型是基于已知的物理相互作用，而這些相互作用都是通過自然界四種基本力中的某一種而實現的。例如，電子通過電磁力相互作用，夸克通過強力相互作用，等等。但是，簡單地將已知的物理學引入暗物質領域并不夠，也許是時候研究全新的力了。

塔內多和他的合作者試圖做到這一點，他們在日前發表的一篇論文中描述了自己的工作。他們提出的新模型極大地擴展了暗物質相互作用的可能，并允許一些未知的力——被稱為“暗力”——發揮作用。

“過去兩年來，我的研究項目的目標就是擴展暗物質與暗力‘對話’的想法，”塔內多在聲明中說，“在過去的十年里，物理學家已經開始認識到，除了暗物質，隱藏的暗力可能控制著暗物質的相互作用。這些暗力可能會完全改寫人們尋找暗物質的規則。”

塔內多等人的暗物質研究中包含了兩個令人意想不到的特點。首先，該模型中包含了無數種新的力，這些力共同發揮作用，而不是由單一的力來連接暗物質粒子。其次，這個模型需要給宇宙增加一個維度，也就是說，宇宙不再是我們熟悉的三維空間，而是一個神奇的四維空間。

跳出常規宇宙之外的思考

在構建暗物質粒子如何相互作用的理論時，無數種新的力（每一種力都由一個質量不同的新粒子表示）提供了很大的靈活性。雖然在常規物理學中還沒有類似的理論，但天體物理學家很清楚暗物質并不一定遵循通常的規則。

在解釋已知物理現象的理論中，兩個粒子的相互作用是通過交換一種攜帶力的粒子來實現的。例如，兩個電子通過交換光子（電磁力的載體）而相互碰撞。但是，這個新的模型采用了一個由相互作用組成的連續體，以取代單一的相互作用;所有的相互作用共同發揮作用，使暗物質粒子的自相互作用發生。

“我的研究項目針對的是我們關于粒子物理學的一個假設：粒子之間的相互作用可以通過更多粒子的交換來很好地描述，”塔內多在聲明中說，“盡管普通物質確實如此，但沒有理由假設暗物質也是如此。它們的相互作用或許可以用交換粒子的連續體來描述，而不僅僅是交換某種類型的力粒子。”

為了增加額外的維度，塔內多的團隊借用了一個來自其他高能粒子物理理論的技巧。通過一個很引人注目但尚未充分證明的概念，即“AdS/CFT對偶”（“AdS”代表反德西特空間，是一種假想的宇宙時空結構;“CFT”代表共形場論，屬于量子理論的范疇），一些在正常的三維空間中很難解決的物理問題在擴展到四維空間時就會變得容易得多。

通過使用這種數學技巧，塔內多及其合作者解決了暗物質之間的力如何相互作用的問題。然后，他們將結果轉化為三維空間，并預測這些力將如何在真實的宇宙中運行，發現這些力的表現與我們所習慣的自然力大不相同。

“對于我在物理學入門課程中講授的引力或電磁力，當兩個粒子之間的距離增加1倍時，引力或電磁力就會減少4倍，”塔內多說，“相比之下，連續力會減少多達8倍。”

這種對暗物質粒子之間自我相互作用的修正使研究人員能夠建立起匹配小型星系觀測結果的模型，給予這些星系一個類似于“核心”的暗物質輪廓，而不是在傳統的暗物質模型中看到的“尖峰”。這些結果與其他可能重現“尖峰”中心的自相互作用暗物質模型相似，但這個理論來自一個全新的理論方向，可能會帶來其他觀測結果。

因此，研究人員還有很多工作要做。宇宙學家用暗物質來解釋宇宙中許多不同尺度的觀測結果，進一步的工作將揭示這個奇異的理論是否符合我們所看到的宇宙。