星系或在模拟天文学家寻找的暗物质信号

09-10 22:28 来自北京

星系或模拟天文学家追寻的暗物质信号

大多数星系可能被称为恒星流的环绕恒星长丝所包围。在华盛顿大学的一项研究中，天文学家模拟了恒星流——此处被描绘为多彩条纹——围绕虚拟宿主星系运行的过程，以测试关于暗物质如何影响恒星流形状的主流理论。研究结果可能帮助研究人员区分暗物质的真实证据与误报。图片来源：斯特凡佩恩沃德纳

星系能够产生许多与天文学家视为暗物质可能迹象的相同恒星流扭曲。

长期以来，天文学家一直希望银河系周围的长条状恒星带中的缝隙、弯曲和其他扭曲现象能够揭示暗物质的隐秘影响。但新的模拟结果表明，其中许多特征可能源于星系本身，即使没有那些被认为会产生这些特征的小型暗物质团块存在也是如此。

华盛顿大学的研究人员在四个银河系大小的星系中对大约15000条被称为恒星流的带状结构进行了建模。这些模拟忽略了被称为亚晕的小型暗物质团块。经过50亿年的模拟时间后，几乎每条恒星流都出现了不规则现象，只有70条保持完全平滑。

在我们的模拟中，仅宿主星系就造成了我们在真实恒星流中观察到的同类不规则现象，该研究的第一作者、华盛顿大学天文学博士后学者Arpit Arora表示。既然我们能够预测宿主星系自身的行为，我们就可以开始分离暗物质所起的作用部分。

这项研究发表在《天体物理学杂志》上。

仅靠星系就能扰乱恒星流

这些扭曲源于星系本身的结构。恒星在每个模拟星系盘中的分布略有不均，形成了与真实星系中类似的密度高低区域。当恒星流穿过密度较高的区域时，不均匀的引力场会对它们产生弯曲和撕裂作用。

阿罗拉原本预计星系会产生一些不规则现象，但没想到会有这么多。

我们发现，几乎所有的溪流都存在某种结构上的差异，阿罗拉说，所以，溪流天然细而平滑的这种观点并不一定正确。

这些模拟产生了波纹、扭结、尖刺、分支、空隙和团块。一些星流被其宿主星系的引力扰动完全撕裂。那些离星系核心更近的轨道上的星流更频繁地遇到密集的团块区域，并且产生更多不规则现象。

流的不规则性可能有另一个来源

这一结果使利用恒星流研究暗物质的努力变得复杂，暗物质是一种理论上的物质，除了通过引力外，它不与光或普通物质相互作用。

暗物质构成了宇宙中大部分质量，是星系生长所依赖的骨架，但我们仍然不知道它是什么，该研究的合著者、华盛顿大学天文学助理教授诺拉·希普说。银河系是我们研究这个问题的最佳实验室之一，而恒星流是其中最敏锐的工具之一。

一组虚拟恒星流展示了模拟所产生的各种弯曲、扭动、弯折和空隙。在大约15000条恒星流中，只有70条没有明显特征。图片来源：阿罗拉等人《天体物理学杂志》

银河系中的大多数恒星都位于一个相对扁平的平面上，而恒星流则沿着不同的路径环绕星系运行。当一群恒星与一个星系相撞并被其引力捕获时，就会形成恒星流。在这些恒星环绕运行时，星系会将星团拉伸成一条细长的丝状物。大多数星系都有恒星流，不过银河系周围的恒星流对天文学家来说是最容易观测到的。

我们星系中的许多恒星流存在间隙和扭曲。天文学家提出，其中一些特征可能是与暗物质子晕相互作用的结果。倘若如此，这些扭曲现象能够提供有关暗物质组成的信息。新的模拟结果表明，天文学家必须首先考虑由主星系自身产生的类似特征。

暗物质的指纹仍有待分离

阿罗拉现在计划在未来的模拟中加入暗物质团块，并测试它们是否会形成与仅由星系本身造成的模式不同的模式。

新的观测结果可能有助于做出这一区分。美国国家科学基金会（NSF）与美国能源部（DOE）合作建设的维拉·C·鲁宾天文台的西蒙尼巡天望远镜有望在银河系中发现更多的恒星流。这些观测结果可能有助于天文学家对恒星流特征进行分类，并寻找能够更可靠地与暗物质联系起来的特征信号。

遗憾的是，没有魔法棒能揭示暗物质的结构，华盛顿大学天文学研究助理教授詹姆斯·达文波特说。星流是复杂的系统，但它们仍然是研究邻近暗物质最有趣的方式。

参考文献《宿主星系的印记》，作者：阿尔皮特·阿罗拉、彼得 S·弗格森、雅各布·尼鲍尔、诺拉·希普、维迪·普雷迪、尤金·瓦西里耶夫、杰克·科姆、劳雷拉 C·马林、阿德里安 M·普赖斯-惠兰、丹尼斯·埃尔卡尔、萨拉·皮尔森、安德鲁·韦策尔、杰里米·贝林、罗伯特·费尔德曼，2024年5月15日，《天体物理学杂志》，DOI：10.3847/1538-4357/ae89af

这项研究由戈登和贝蒂·摩尔基金会资助。