对暗物质研究的突破有助于同时探索三种最主流的理论

科学家对银河系周围矮星系的观测，同时对三种主流的暗物质理论提供了约束条件。由宇宙学家领导的一个科学家小组对暗物质的性质制定了一些最严格的约束条件，这些科学家来自Department of Energy 的SLAC和费米国家加速器实验室。他们根据几十个环绕银河系的微弱卫星星系来确定哪种暗物质能够导致我们今天看到的星系群的分布。

SLAC和斯坦福大学的Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC)主任Risa Wechsler说，这项新研究的意义不仅在于对暗物质的约束条件有多严格，还在于它能约束什么。她说：“我认为真正令人兴奋的事情之一是我们能够同时开始探索三种最流行的暗物质理论。”暗物质占宇宙中物质的85%，除了通过重力外，暗物质与普通物质的相互作用非常微弱。科学家们可以从星系的形状和宇宙的大规模结构中观察到它的影响，但是没有人能确切地知道暗物质是什么。在这项新研究中，研究人员重点研究了暗物质本质的三大可能性：相对快速移动或“温暖”的暗物质；另一种形式的“相互作用”暗物质，通过撞击足够的质子可以加热早期的宇宙，因此会影响星系的形成；第三种就是极轻的粒子，它们被称为被称为"模糊暗物质"，通过量子理论机制延伸了数千光年。

为了测试这些模型，研究人员首先开发了暗物质的计算机模拟，以及暗物质对其在密集碎片里面的微小星系形成的影响。科学家发现这些暗物质围绕在较大的星系。这项研究的主要作者，斯坦福大学和SLAC的研究生Ethan Nadler说：“最暗的星系是我们必须了解的关于暗物质最有价值的工具之一，因为它们同时对暗物质的几个基本特性很敏感。”例如，如果暗物质移动得有点太快，或者通过与正常物质的长期相互作用而获得了太多的能量，那么这些星系一开始就不会形成。模糊的暗物质也一样，如果它向外延伸的太多，它们的的量子波动将会消灭新生的星系。

通过将这些模型与Dark Energy Survey， the Panoramic Survey Telescope 和Rapid Response System (Pan-STARRS)的微弱矮星系目录进行比较，研究人员能够对发生此类事件的可能性加上新的限定条件。事实上，这些限制条件足够强大，因此它们就开始增加其暗物质可被实验直接探测到的可能性。在未来几年中科学家们将会收集到Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time的新数据，这些限制条件只会越来越严格。

来自Fermilab 和 University of Chicago的科学家Alex Drlica-Wagner是Dark Energy Survey的合作者，也是这篇论文的主要作者之一， 他说：“看到大家从不同的实验角度来了解暗物质是令人兴奋的事情，这是 DES 的里程碑式测量，我非常希望未来的宇宙学研究可以帮助我们了解暗物质是什么。”不过Nadler说：“还有很多理论工作要做。” 首先，有许多暗物质模型，包括一种提出可以与自身强烈相互作用的模型。在这个模型里面，研究人员不确定星系形成的效果如何。还有其他的天文系统如恒星流，它们与暗物质碰撞可能会给科学家带来新的信息。