明亮的星系对暗物质进行了考验

在过去的一年半中，詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄了大爆炸后不久形成的遥远星系的惊人图像，让科学家们第一次看到了婴儿宇宙。现在，一群天体物理学家加大了赌注：找到接近时间本身的最微小、最亮的星系，否则科学家将不得不彻底重新思考他们关于暗物质的理论。

该团队由加州大学洛杉矶分校天体物理学家领导，进行了模拟，追踪大爆炸后小星系的形成，并首次纳入了之前被忽视的气体和暗物质之间的相互作用。他们发现，所创建的星系非常小，更亮，并且比典型的模拟中形成的速度更快，这些模拟不考虑这些相互作用，而是揭示了更暗淡的星系。

小星系，也称为矮星系，存在于整个宇宙中，通常被认为代表了最早的星系类型。因此，小星系对于研究宇宙起源的科学家来说特别有趣。但他们发现的小星系并不总是与他们认为应该找到的相符。那些最接近银河系的旋转速度更快，或者不如模拟中那么密集，这表明模型可能遗漏了一些东西，例如这些气体与暗物质的相互作用。

这项发表在《天体物理学杂志快报》上的新研究通过添加暗物质与气体的相互作用来改进模拟，并发现这些微弱的星系在宇宙历史的早期(当它们刚刚开始形成时)可能比预期的要亮得多。作者建议科学家应该尝试使用韦伯望远镜等望远镜寻找比预期明亮得多的小星系。如果他们只发现微弱的暗物质，那么他们关于暗物质的一些想法可能是错误的。

暗物质是一种不与电磁或光相互作用的假设物质。因此，不可能用光学、电或磁来观察。但暗物质确实与引力相互作用，并且它的存在是根据它对普通物质(构成所有可观测宇宙的物质)的引力效应推断出来的。尽管宇宙中84%的物质被认为是由暗物质组成，但它从未被直接探测到。

所有星系都被巨大的暗物质光环包围，科学家认为暗物质对于它们的形成至关重要。天体物理学家用来理解星系形成的“标准宇宙学模型”描述了早期宇宙中的暗物质团如何通过引力吸引普通物质，导致恒星的形成并创造了我们今天看到的星系。由于大多数暗物质粒子(称为冷暗物质)被认为移动速度比光速慢得多，因此这种积累过程会逐渐发生。

但超过 130 亿年前，在第一个星系形成之前，由大爆炸产生的氢和氦气组成的普通物质和暗物质正在相对运动。气体以超音速流过密集的暗物质灌木丛，这些暗物质移动速度较慢，这些暗物质本应将其拉入形成星系。

“事实上，在不考虑流媒体的模型中，这正是发生的情况，”加州大学洛杉矶分校博士生、该论文的第一作者克莱尔·威廉姆斯说。 “气体被暗物质的引力所吸引，形成如此致密的团块和结，以至于可以发生氢聚变，从而形成像我们的太阳一样的恒星。”

但威廉姆斯和超音速项目团队的合著者(由加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授 Smadar Naoz 领导的一群来自美国、意大利和日本的天体物理学家)发现，如果他们将暗物质和普通物质之间不同速度的流动效应添加到在模拟中，气体降落在远离暗物质的地方，并被阻止立即形成恒星。

数百万年后，当积累的气体落回星系时，一次大规模的恒星形成爆发。由于这些星系一度比普通小星系拥有更多年轻、炽热、明亮的恒星，因此它们的光芒更加明亮。

威廉姆斯说：“虽然流动抑制了最小星系中的恒星形成，但它也促进了矮星系中的恒星形成，使它们比宇宙中非流动的斑块更加耀眼。”

“我们预测韦伯望远镜将能够找到宇宙中星系会因这个速度而变得更亮的区域。它们如此明亮的事实可能会让望远镜更容易发现这些小星系，这些星系是通常在大爆炸后仅 3.75 亿年就很难探测到。”

由于暗物质无法直接研究，因此在早期宇宙中寻找明亮的星系斑块可以为有关暗物质的理论提供有效的检验，但迄今为止该理论尚未取得成果。

“在早期宇宙中发现小而明亮的星系斑块将证实我们在冷暗物质模型上走在正确的轨道上，因为只有两种物质之间的速度才能产生我们正在寻找的星系类型， “霍华德和阿斯特丽德·普雷斯顿天体物理学教授纳兹说。 “如果暗物质的行为不像标准的冷暗物质，并且不存在流动效应，那么这些明亮的矮星系就不会被发现，我们需要回到绘图板。”