关键要点

  • 最早的星系被认为是由于暗物质的引力而形成的,暗物质的引力是无法直接研究的,慢慢地吸收了足够的氢和氦来点燃恒星。
  • 加州大学洛杉矶分校天体物理学家领导的新研究表明,在大爆炸之后,氢气和氦气以超音速反弹,从密集、缓慢移动的冷暗物质团块上反弹。几千年后,当气体回落时,恒星一下子形成,形成了小而异常明亮的星系。
  • 如果冷暗物质的模型是正确的,詹姆斯·韦伯太空望远镜应该能够在早期宇宙中找到明亮星系的斑块,从而有可能为暗物质理论提供第一个有效的测试。如果没有,科学家们就必须回到暗物质的绘图板。

在过去的一年半里,詹姆斯·韦伯太空望远镜提供了大爆炸后不久形成的遥远星系的惊人图像,让科学家第一次瞥见了这个婴儿宇宙。现在,一群天体物理学家加大了赌注:在时间本身的开始附近找到最微小、最明亮的星系,否则科学家将不得不完全重新思考他们关于暗物质的理论。

由加州大学洛杉矶分校天体物理学家领导的团队进行了模拟,追踪了大爆炸后小星系的形成,并首次包括了以前被忽视的气体和暗物质之间的相互作用。他们发现,与不考虑这些相互作用的典型模拟相比,创造的星系非常小,更明亮,形成得更快,而是揭示了更暗的星系。

小星系,也称为矮星系,存在于整个宇宙中,通常被认为是最早的星系类型。因此,对于研究宇宙起源的科学家来说,小星系特别有趣。但是他们发现的小星系并不总是与他们认为应该找到的相匹配。那些最接近银河系的粒子旋转得更快,或者不像模拟中那样密集,这表明模型可能遗漏了一些东西,比如这些气体-暗物质相互作用。

这项发表在《天体物理学杂志快报》(The Astrophysical Journal Letters)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,并发现这些暗淡的星系可能比宇宙历史早期预期的要亮得多,当时它们刚刚开始形成。作者建议科学家应该尝试使用韦伯望远镜等望远镜找到比预期亮得多的小星系。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,不可能使用光学、电或磁学进行观察。但暗物质确实与引力相互作用,它的存在是从它对普通物质的引力效应中推断出来的——普通物质构成了所有可观测宇宙的物质。尽管宇宙中84%的物质被认为是由暗物质组成的,但它从未被直接探测到。

所有星系都被巨大的暗物质光环所包围,科学家们认为暗物质对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我们今天看到的星系。因为大多数暗物质粒子 – 称为冷暗物质 – 被认为比光速慢得多,所以这种积累过程会逐渐发生。

但是在130多亿年前,在第一个星系形成之前,由大爆炸产生的氢气和氦气组成的普通物质和暗物质是相对运动的。气体以超音速流过密集的灌木丛,这些暗物质移动得更慢,这些暗物质应该被拉进来形成星系。

“事实上,在不考虑流媒体的模型中,这正是发生的事情,”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(Claire Williams)说。“气体被暗物质的引力所吸引,形成如此密集的团块和结,以至于可以发生氢聚变,从而形成像我们的太阳这样的恒星。

但是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领导的一组来自美国,意大利和日本的天体物理学家,发现如果他们在模拟中加入暗物质和普通物质之间不同速度的流动效应,气体就会远离暗物质,并且无法立即形成恒星。数百万年后,当积累的气体落回银河系时,恒星形成的大规模爆发一下子发生了。因为这些星系在一段时间内比普通的小星系拥有更多年轻、炽热、发光的恒星,所以它们的光芒要亮得多。

“虽然流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,使它们比宇宙中的非流斑块更耀眼,”威廉姆斯说。“我们预测韦伯望远镜将能够找到宇宙中星系更亮的区域,并因这种速度而提高。它们应该如此明亮的事实可能会使望远镜更容易发现这些小星系,这些星系通常在大爆炸后3.75亿年才被探测到。

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测试,迄今为止,暗物质理论一直没有结果。

“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方面走在正确的轨道上,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Naoz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将不会被发现,我们需要回到绘图板。

这项研究得到了美国国家科学基金会和美国宇航局的支持。