非重子冷暗物質，對宇宙微波輻射（CMB）殘留輻射場有何影響？

文|翎諭

編輯|翎諭

隨著宇宙學的發展，我們開始更廣泛地研究宇宙的起源和演化，從宏觀的角度審視宇宙。現代熱大爆炸模型為我們提供了一個框架，其中哈勃膨脹、大爆炸核合成和宇宙微波背景輻射成為了實證支柱，這些支柱與廣義相對論完美契合。這一模型使我們能夠追溯宇宙的歷史，從膨脹的初始時刻到透明氣體的形成。

然而，它也揭示了一個不容忽視的事實：僅憑廣義相對論無法完全解釋宇宙的現象，我們需要引入暗物質和暗能量這兩個輔助假設。

這兩者成為了ΛCDM模型的核心，Λ代表愛因斯坦的宇宙常數，CDM代表冷暗物質。這個模型在星系形成領域扮演著重要角色，因為冷暗物質在星系形成過程中發揮著關鍵作用。

星系形成與宇宙學的交織

星系是宇宙的基本結構元素，星系形成理論旨在解釋這些結構的形成過程，本文追溯了星系形成領域的一些基礎思想，特彆強調了對非重子冷暗物質的需求。

早期理論的許多要素在與低表面亮度星系的觀測相遇時未能生存，因此需要輔助假設，如反饋機制。

後期則輔助宇宙背景的研究，宇宙學是研究宇宙起源和演化的科學，是最大的宏觀視角。現代的熱大爆炸模型基於三個實證支柱：宇宙膨脹（哈勃膨脹）、大爆炸核合成以及宇宙微波背景輻射（CMB）殘留輻射場。

這三個實證支柱與廣義相對論（GR）完美契合。在假設宇宙均勻和各向同性的簡化條件下，可以應用愛因斯坦的方程將整個宇宙視為一個動態實體。

它被迫要麼膨脹要麼收縮。將觀測到的膨脹倒退到過去，必然會達到一個熾熱、緻密的早期階段。這自然地解釋了CMB，它標誌著從不透明等離子體到透明氣體的過渡。

通過BBN，可以詳細解釋輕元素的丰度，前提是在宇宙的質量能量預算中輻射主導的前幾分鐘內，宇宙如GR所預測的那樣膨脹。

這些早期宇宙結果與GR的預期之間的奇妙一致性增強了人們對熱大爆炸是宇宙宏觀圖景的正確信心。

它還過於自信地認為GR完全足以描述宇宙，只有在引入兩個輔助假設的情況下，才能與現代宇宙學數據保持一致：暗物質和暗能量。

這些看不見的實體是最受歡迎的宇宙模型ΛCDM的當前版本的絕對要求，這個模型的名稱正是源於這些暗物質：Λ是愛因斯坦的宇宙常數，其中的「暗能量」是其一種推廣，而CDM是冷暗物質。

暗能量在星系形成領域並不是主要的研究對象，它主要有助於建立星系形成的背景宇宙學，並在結構形成的時間安排中發揮一定作用。

另一方面，暗物質在星系形成中起著密切而關鍵的作用，術語「暗物質」粗糙地表示，它可以合理地被用來表示未被看見的任何東西。

在宇宙背景中，看不見的質量至少有兩種形式：正常物質未以容易看到的方式發光——不是所有普通物質都需要與可見的恆星相關聯——以及非重子冷暗物質，被認為佔據宇宙質量預算的主導地位，並在星系形成中發揮關鍵作用的是後者。

揭開宇宙中的冷暗物質之謎

冷暗物質是某種慢速運動的、非相對論性（'冷'）的微觀粒子質量，它不由正常物質（重子）組成。

重子是包括質子和中子在內的粒子家族，因此，這個術語已經成為將正常的、重子物質與非重子暗物質區分開的傳統用語。

重子暗物質和非重子暗物質之間的區別不是小事，非重子暗物質必須是一種新粒子，駐留在與通常的基本粒子完全不同的新的「暗物質區域」中。

我們不僅需要一些新的粒子，還需要一種（或多種）存在於頑固成功的標準粒子物理模型之外的領域的粒子。

宇宙中的暗物質之所以必須是非重子的，有兩個基本原因。首先，通過引力測量的宇宙質量密度（明顯超過了由BBN約束的重子質量密度，有一些引力作用的東西並不是普通物質：Ωm > Ωb。

第二個原因來自CMB中的溫度波動的缺失，CMB在整個天空中的溫度異常均勻，僅變化約105分之1。

這些小溫度變化對應於密度的變化，引力是一種吸引力，它會讓富者更富，小的密度過剩會傾向於吸引更多的質量，使它們變得更大，吸引更多的質量，並導致大尺度結構的形成，包括星系。

但引力也是一種弱力：這個過程需要很長時間，在宇宙的漫長但有限的年齡內，引力加上已知的重子物質不足以從早期宇宙的初始平滑、高度均勻狀態過渡到局部宇宙的高度結構化、多峰狀態。

解決方法是通過額外的質量組件——冷暗物質——來加速這個過程，而不與光子相互作用，因此在結構生長方面佔據了先機，同時不加劇CMB中的溫度波動幅度。

單獨看，人們可能會認為不需要暗物質。但綜合考慮這兩個不同的論點幾乎使所有人，包括我自己，都堅信非重子暗物質是絕對必要的。

CDM在20世紀80年代確立為主要的範式，這個範式從那時起一直在不斷發展壯大，宇宙學家普遍認為CDM必須存在。

從天文學的角度來看，CDM可以是任何慢速運動的、龐大的物體，不與光子相互作用，也不參與BBN，可能性的範圍一方面是無限的，但又受到嚴格的限制。

如果中子在真空中是穩定的，那麼它們將足夠，但事實並非如此，原初黑洞是一個邏輯上的可能性，但如果由正常物質組成，它們必須在大爆炸後的第一秒內以某種方式形成，以免影響BBN。

在這個時刻，微引力實驗已經排除了原初黑洞可能佔據的大多數合理質量範圍，很容易想像出假設性的暗物質候選粒子，但要使它們保持可行性卻很困難。

從粒子物理學的角度來看，首選的候選粒子是弱相互作用的大質量粒子，WIMPs預計是穩定超對稱伴侶粒子中最輕的一個，它駐留在假設的超對稱部門中。

WIMP長期以來一直是最有可能的候選粒子，通常與更一般的術語「暗物質」是同義詞，它是一個假設的粒子，催生了數千次實驗。

尋找WIMPs的實驗研究在過去幾十年里取得了巨大進展，取得了不檢測到暗物質的非凡進展，現在幾乎所有WIMPs被預測存在的參數空間都已被排除。

更糟糕的是，超對稱部門本身的存在，曾經似乎是一個確定的事情，現在仍然是完全假設的，並且在這個時刻看來只是自然拒絕實施的一個美麗的想法。

對於星系和宇宙，我們必須有冷暗物質，但我們對它是什麼還沒有線索。

星系形態、質量和結構的基本特徵概述

宇宙學在哈勃（1929）測量仙女座距離時進入了現代時代，從而解決了關於螺旋星雲性質的爭論，確立了龐大的恆星系統——星系存在於銀河系之外，並與之平行存在。

星系是我們窺探我們自己的銀河系之外時所觀察到的主要對象：它們是宇宙的基本構建單元，因此，星系和宇宙學是相互交織的：理解其中一個是不可能的，沒有另一個。

在這裡，我簡要概述星系特性的一些基本事實，這遠非全面列表（參見例如Binney＆Tremaine，1987），僅用於為隨後的討論提供最低限度的框架。

星系的特性通常以形態類型的術語來描述，以哈勃的音叉圖為例，主要區別在於早期星系（ETGs）和晚期星系（LTGs），這涉及到基本結構問題。

ETGs，也稱為橢圓星系，是三維的、橢球形的系統，受到壓力支撐：隨機運動的動能大於圓形運動，這種狀態被描述為動力學熱。

恆星的軌道通常是離心的，且相對於彼此的方向是隨機的，填滿了在天空上投影出的橢球形狀，LTGs，包括螺旋星系和不規則星系，是薄的、准二維的、旋轉支撐的圓盤。

它們大部分的恆星在相同的平面上以相同的方向在低離心率軌道上運行，大多數的動能都投資在圓形運動上，只有很小的隨機運動，這種狀態被描述為動力學冷。

這些示例顯示了一個早期的橢圓星系，以及兩個晚期的圓盤星系：一個正面的螺旋星系，和一個邊緣的圓盤星系。

橢圓星系是准球形的、受壓力支持的恆星系統，通常以主要由老年恆星組成，通常缺乏年輕恆星或形成它們的冷間星際氣體。

相比之下，晚期星系是薄的、准二維的、旋轉支撐的圓盤，它們通常包含各種年齡的恆星和冷的星際氣體，新的恆星繼續形成。

星際塵埃也存在，尤其在邊緣情況下最為明顯，在早期和晚期星系的廣泛類別內，可以在形態上做出更精細的區分，但基本的結構和動力學差異已足夠。

ETGs的無序運動是暴力弛豫的自然結果，其中恆星系統從混亂的初始狀態達到了動力學平衡狀態。

這可以從許多可想像的初始條件相對迅速地進行，是由於從CMB觀測所示的高斯初始條件所預期的亞團的分層合併的自然結果。

相比之下，動力學冷的LTGs的有序旋轉要求氣體緩慢地沉降到旋轉支撐的圓盤中，重要的是，圓盤的形成必須在氣態中發生，因為氣體可以耗散並沉降到由系統的凈角動量指定的首選平面中。

一旦恆星形成，它們的軌道將在通常遠大於宇宙年齡的一段時間內保持它們的初始狀態記憶，因此，螺旋盤中的大部分恆星必須是在氣體沉降之後形成的。

除了其形態外，星系的另一個明顯特性是其質量，星系存在著廣泛的質量範圍，在這個特徵質量以上，星系的數量密度急劇下降，儘管肯定存在超過幾百億太陽質量的個體星系。

星系的數量密度逐漸增加到較低質量，沒有已知的最低限度，數量的漸進增加並不能彌補質量的減少：在分布上積分，我們發現大部分恆星質量位於靠近特徵質量的明亮星系中。

星系具有特徵尺寸和表面亮度，相同數量的恆星質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）星系中的更大區域。

對於本討論而言，假設觀察到的亮度與產生光的恆星質量成正比，同樣，表面亮度測量了恆星的表面密度。

在亮度、尺寸和表面亮度的三個可觀測數量中，只有兩個是獨立的：亮度是表面亮度和其延伸的區域的乘積，該區域按線性尺寸的平方縮放。

星系形態、質量和結構的探討揭示了宇宙學中的深刻問題和挑戰，星系形成理論的演化與宇宙學背景的研究交相輝映，強調了暗物質在星系和宇宙學中的關鍵作用。

儘管我們對宇宙和星系有了更深入的了解，但冷暗物質的本質仍然是一個謎題，解開這個謎題將不僅深化我們對宇宙的理解，還可能引發革命性的新物理學發現。

隨著科學技術的不斷進步，我們對星系的理解將不斷深化，從而為未來的宇宙學研究和星系形成理論提供更多的見解和機會。