非重子冷暗物质，对宇宙微波辐射（CMB）残留辐射场有何影响？

文|翎谕

编辑|翎谕

随着宇宙学的发展，我们开始更广泛地研究宇宙的起源和演化，从宏观的角度审视宇宙。现代热大爆炸模型为我们提供了一个框架，其中哈勃膨胀、大爆炸核合成和宇宙微波背景辐射成为了实证支柱，这些支柱与广义相对论完美契合。这一模型使我们能够追溯宇宙的历史，从膨胀的初始时刻到透明气体的形成。

然而，它也揭示了一个不容忽视的事实：仅凭广义相对论无法完全解释宇宙的现象，我们需要引入暗物质和暗能量这两个辅助假设。

这两者成为了ΛCDM模型的核心，Λ代表爱因斯坦的宇宙常数，CDM代表冷暗物质。这个模型在星系形成领域扮演着重要角色，因为冷暗物质在星系形成过程中发挥着关键作用。

星系形成与宇宙学的交织

星系是宇宙的基本结构元素，星系形成理论旨在解释这些结构的形成过程，本文追溯了星系形成领域的一些基础思想，特别强调了对非重子冷暗物质的需求。

早期理论的许多要素在与低表面亮度星系的观测相遇时未能生存，因此需要辅助假设，如反馈机制。

后期则辅助宇宙背景的研究，宇宙学是研究宇宙起源和演化的科学，是最大的宏观视角。现代的热大爆炸模型基于三个实证支柱：宇宙膨胀（哈勃膨胀）、大爆炸核合成以及宇宙微波背景辐射（CMB）残留辐射场。

这三个实证支柱与广义相对论（GR）完美契合。在假设宇宙均匀和各向同性的简化条件下，可以应用爱因斯坦的方程将整个宇宙视为一个动态实体。

它被迫要么膨胀要么收缩。将观测到的膨胀倒退到过去，必然会达到一个炽热、致密的早期阶段。这自然地解释了CMB，它标志着从不透明等离子体到透明气体的过渡。

通过BBN，可以详细解释轻元素的丰度，前提是在宇宙的质量能量预算中辐射主导的前几分钟内，宇宙如GR所预测的那样膨胀。

这些早期宇宙结果与GR的预期之间的奇妙一致性增强了人们对热大爆炸是宇宙宏观图景的正确信心。

它还过于自信地认为GR完全足以描述宇宙，只有在引入两个辅助假设的情况下，才能与现代宇宙学数据保持一致：暗物质和暗能量。

这些看不见的实体是最受欢迎的宇宙模型ΛCDM的当前版本的绝对要求，这个模型的名称正是源于这些暗物质：Λ是爱因斯坦的宇宙常数，其中的“暗能量”是其一种推广，而CDM是冷暗物质。

暗能量在星系形成领域并不是主要的研究对象，它主要有助于建立星系形成的背景宇宙学，并在结构形成的时间安排中发挥一定作用。

另一方面，暗物质在星系形成中起着密切而关键的作用，术语“暗物质”粗糙地表示，它可以合理地被用来表示未被看见的任何东西。

在宇宙背景中，看不见的质量至少有两种形式：正常物质未以容易看到的方式发光——不是所有普通物质都需要与可见的恒星相关联——以及非重子冷暗物质，被认为占据宇宙质量预算的主导地位，并在星系形成中发挥关键作用的是后者。

揭开宇宙中的冷暗物质之谜

冷暗物质是某种慢速运动的、非相对论性（'冷'）的微观粒子质量，它不由正常物质（重子）组成。

重子是包括质子和中子在内的粒子家族，因此，这个术语已经成为将正常的、重子物质与非重子暗物质区分开的传统用语。

重子暗物质和非重子暗物质之间的区别不是小事，非重子暗物质必须是一种新粒子，驻留在与通常的基本粒子完全不同的新的“暗物质区域”中。

我们不仅需要一些新的粒子，还需要一种（或多种）存在于顽固成功的标准粒子物理模型之外的领域的粒子。

宇宙中的暗物质之所以必须是非重子的，有两个基本原因。首先，通过引力测量的宇宙质量密度（明显超过了由BBN约束的重子质量密度，有一些引力作用的东西并不是普通物质：Ωm > Ωb。

第二个原因来自CMB中的温度波动的缺失，CMB在整个天空中的温度异常均匀，仅变化约105分之1。

这些小温度变化对应于密度的变化，引力是一种吸引力，它会让富者更富，小的密度过剩会倾向于吸引更多的质量，使它们变得更大，吸引更多的质量，并导致大尺度结构的形成，包括星系。

但引力也是一种弱力：这个过程需要很长时间，在宇宙的漫长但有限的年龄内，引力加上已知的重子物质不足以从早期宇宙的初始平滑、高度均匀状态过渡到局部宇宙的高度结构化、多峰状态。

解决方法是通过额外的质量组件——冷暗物质——来加速这个过程，而不与光子相互作用，因此在结构生长方面占据了先机，同时不加剧CMB中的温度波动幅度。

单独看，人们可能会认为不需要暗物质。但综合考虑这两个不同的论点几乎使所有人，包括我自己，都坚信非重子暗物质是绝对必要的。

CDM在20世纪80年代确立为主要的范式，这个范式从那时起一直在不断发展壮大，宇宙学家普遍认为CDM必须存在。

从天文学的角度来看，CDM可以是任何慢速运动的、庞大的物体，不与光子相互作用，也不参与BBN，可能性的范围一方面是无限的，但又受到严格的限制。

如果中子在真空中是稳定的，那么它们将足够，但事实并非如此，原初黑洞是一个逻辑上的可能性，但如果由正常物质组成，它们必须在大爆炸后的第一秒内以某种方式形成，以免影响BBN。

在这个时刻，微引力实验已经排除了原初黑洞可能占据的大多数合理质量范围，很容易想象出假设性的暗物质候选粒子，但要使它们保持可行性却很困难。

从粒子物理学的角度来看，首选的候选粒子是弱相互作用的大质量粒子，WIMPs预计是稳定超对称伴侣粒子中最轻的一个，它驻留在假设的超对称部门中。

WIMP长期以来一直是最有可能的候选粒子，通常与更一般的术语“暗物质”是同义词，它是一个假设的粒子，催生了数千次实验。

寻找WIMPs的实验研究在过去几十年里取得了巨大进展，取得了不检测到暗物质的非凡进展，现在几乎所有WIMPs被预测存在的参数空间都已被排除。

更糟糕的是，超对称部门本身的存在，曾经似乎是一个确定的事情，现在仍然是完全假设的，并且在这个时刻看来只是自然拒绝实施的一个美丽的想法。

对于星系和宇宙，我们必须有冷暗物质，但我们对它是什么还没有线索。

星系形态、质量和结构的基本特征概述

宇宙学在哈勃（1929）测量仙女座距离时进入了现代时代，从而解决了关于螺旋星云性质的争论，确立了庞大的恒星系统——星系存在于银河系之外，并与之平行存在。

星系是我们窥探我们自己的银河系之外时所观察到的主要对象：它们是宇宙的基本构建单元，因此，星系和宇宙学是相互交织的：理解其中一个是不可能的，没有另一个。

在这里，我简要概述星系特性的一些基本事实，这远非全面列表（参见例如Binney＆Tremaine，1987），仅用于为随后的讨论提供最低限度的框架。

星系的特性通常以形态类型的术语来描述，以哈勃的音叉图为例，主要区别在于早期星系（ETGs）和晚期星系（LTGs），这涉及到基本结构问题。

ETGs，也称为椭圆星系，是三维的、椭球形的系统，受到压力支撑：随机运动的动能大于圆形运动，这种状态被描述为动力学热。

恒星的轨道通常是离心的，且相对于彼此的方向是随机的，填满了在天空上投影出的椭球形状，LTGs，包括螺旋星系和不规则星系，是薄的、准二维的、旋转支撑的圆盘。

它们大部分的恒星在相同的平面上以相同的方向在低离心率轨道上运行，大多数的动能都投资在圆形运动上，只有很小的随机运动，这种状态被描述为动力学冷。

这些示例显示了一个早期的椭圆星系，以及两个晚期的圆盘星系：一个正面的螺旋星系，和一个边缘的圆盘星系。

椭圆星系是准球形的、受压力支持的恒星系统，通常以主要由老年恒星组成，通常缺乏年轻恒星或形成它们的冷间星际气体。

相比之下，晚期星系是薄的、准二维的、旋转支撑的圆盘，它们通常包含各种年龄的恒星和冷的星际气体，新的恒星继续形成。

星际尘埃也存在，尤其在边缘情况下最为明显，在早期和晚期星系的广泛类别内，可以在形态上做出更精细的区分，但基本的结构和动力学差异已足够。

ETGs的无序运动是暴力弛豫的自然结果，其中恒星系统从混乱的初始状态达到了动力学平衡状态。

这可以从许多可想象的初始条件相对迅速地进行，是由于从CMB观测所示的高斯初始条件所预期的亚团的分层合并的自然结果。

相比之下，动力学冷的LTGs的有序旋转要求气体缓慢地沉降到旋转支撑的圆盘中，重要的是，圆盘的形成必须在气态中发生，因为气体可以耗散并沉降到由系统的净角动量指定的首选平面中。

一旦恒星形成，它们的轨道将在通常远大于宇宙年龄的一段时间内保持它们的初始状态记忆，因此，螺旋盘中的大部分恒星必须是在气体沉降之后形成的。

除了其形态外，星系的另一个明显特性是其质量，星系存在着广泛的质量范围，在这个特征质量以上，星系的数量密度急剧下降，尽管肯定存在超过几百亿太阳质量的个体星系。

星系的数量密度逐渐增加到较低质量，没有已知的最低限度，数量的渐进增加并不能弥补质量的减少：在分布上积分，我们发现大部分恒星质量位于靠近特征质量的明亮星系中。

星系具有特征尺寸和表面亮度，相同数量的恒星质量可以集中在高表面亮度（HSB）星系中，也可以分布在低表面亮度（LSB）星系中的更大区域。

对于本讨论而言，假设观察到的亮度与产生光的恒星质量成正比，同样，表面亮度测量了恒星的表面密度。

在亮度、尺寸和表面亮度的三个可观测数量中，只有两个是独立的：亮度是表面亮度和其延伸的区域的乘积，该区域按线性尺寸的平方缩放。

星系形态、质量和结构的探讨揭示了宇宙学中的深刻问题和挑战，星系形成理论的演化与宇宙学背景的研究交相辉映，强调了暗物质在星系和宇宙学中的关键作用。

尽管我们对宇宙和星系有了更深入的了解，但冷暗物质的本质仍然是一个谜题，解开这个谜题将不仅深化我们对宇宙的理解，还可能引发革命性的新物理学发现。

随着科学技术的不断进步，我们对星系的理解将不断深化，从而为未来的宇宙学研究和星系形成理论提供更多的见解和机会。