“神秘的物质世界”添加惰性中微子

超出人们理解的奇妙暗物质和暗能量在宇宙构成中占据了绝对比重，宇宙在过去的几十亿年处于大膨胀的过程中。过去的30年，大多数宇宙学家试图以“标准模型理论”回答宇宙的动力学问题，他们在宇宙形成的模拟和匹配的观测数据方面取得了长足进步和很大的成功，但是，有些天体现象不符合标准模型理论的预测，所有的差异最终回到对观测事实的解释，或重新思考更为基础的问题。在2015年的7月7日举行的一次天文大会(NAM)的特别会议上，天文学家讨论热烈，发言积极，各种观测证据激发了天文学家对超越标准模型宇宙学思考的热情。

对额外的、“神出鬼没”的暗物质粒子而言，科学家普遍认可的候选对象是所谓的冷暗物质(CDM)，它的运动速度比光速缓慢得多，冷暗物质和电磁辐射产生微弱的相互作用，天文学家和物理学家未能探测到它们。英国杜兰大学计算机宇宙学研究所(ICC)的研究员索纳克·博斯在NAM 2015的讲坛发布了新的预测，作为暗物质粒子对象之一的惰性中微子在最近的探测中似乎得到了某种证实。惰性中微子比普通中微子显得冷谈，惰性十足，它们和普通物质粒子发生微弱的引力作用。

惰性中微子和其它冷暗物质（CDM）粒子存在根本的不同，惰性中微子在宇宙大爆炸时刻比CDM的运动速度更高，它们从诞生之地随机地向外飞驰，小规模结构体的丰度值随之减少。通过建立宇宙从起点开始的演化模型，科学家寻找宇宙目前物质结构的分布状态，从诸如矮星系的结构检测出惰性中微子和冷暗物质（CDM）中一种与观测结果相符。

两个独立的科学团体去年探测了一种未有解释的在X—射线波段的发射谱线，他们使用了钱德拉太空望远镜和XMM—牛顿X—射线望远镜观测了星系的集群，谱线能量符合理论的预测，惰性中微子将在宇宙的生命周期发生衰变。博斯和杜兰大学的同事使用一种复杂的星系形成模型检测惰性中微子是否与观测的数据相符合，以确定暗物质粒子的性质。复杂的模型显示，惰性中微子的预期与观测数据广泛适配，它们也许能够通过过目前有关暗物质天体物理学的检验，这可能是惰性中微子存在的第一个证据，令人激动的好消息使得博斯和他的同事进一步研究惰性中微子如何在星系中存在和它们的暗物质性质。

不是每一位天体物理学家都相信，额外的暗物质是解释天文观测结果时必须考虑的因素，英庄尼尔·班尼克和圣安德鲁斯大学的同事相信，也许存在引力理论的改进版本，以避免考虑暗物质的因素，他们构建了细节性的物理模型，以此预测了本星系团的星系速度，银河系和邻近仙女座星系的质量决定了这些星系的运行速度。我们的宇宙在大尺度上发生了膨胀，离我们越远的星系退行的速度越快，但是，星系退行速度与星系距离成正比的规律在本星系团的尺度上变得十分模糊，以牛顿引力理论为基础构建的模型不能很好地符合天文观测的结果，本星系团的一些星系向外退行的速度十分迅速，银河系和仙女座星系的质量似乎未能对它们施加引力的影响。

圣安德鲁大学的科学小组指出，似乎异常地快速移动的星系可用引力推进原理进行解释，在大约90亿年前，在银河系和仙女座星系发生了近距离的相遇，两个星系“擦肩而过”，彼此穿行，运行速度大约为每秒370英里、或每秒600公里，奇妙的引力反应被天体物理学称之为“弹弓效应”，银河系和仙女座星系施加的引力效应加速了本星系团其它星系的移动。为了让宇宙飞船抵达太阳系的外侧行星，科学家使用了运动加速器的“弹弓技巧”。

在银河系和仙女座星系的大天体情形中，受到在周围移动的矮星系的引力影响，它们的移动速度出现轻微的下降，相反，质量轻得多的矮星系的移动速度得到了很大提升。“弹弓效应”符合他们的观测结果，却与牛顿引力理论的预测不符，牛顿的引力理论似乎不能预测当银河系和仙女座星系近距离相遇时形成的引力强度，似乎需要改进版的引力理论，以符合星系观测中引力不断增加的证据。

暗能量是一个有争议的问题，通过测量Ia类超新星获得了第一类暗能量存在的证据，暗能量场的作用被认为引起了宇宙的加速膨胀。Ia类超新星成为天文学家测量天体距离的“宇宙灯塔”。然而，不断增加的观测证据显示，Ia类超新星似乎不是最理想的“标准烛光”。当白矮星获得了超过临界性的质量时发生了超新星暴，它看起来好像一颗恒星发生了猛烈的爆炸。天文学家对Ia类超新星亮度的精确观测与它们所在主星系的环境有关，希瑟·坎贝尔和他的剑桥大学同事应用了大量超新星和主星系的样本，以确定主星系和超新星亮度的相互关系。

如果天文学家期望对暗能量作出可能性的精确测量，那么关键的选项在于如何理解主星系的特征，更大质量的主星系通常拥有更微弱光度的超新星。如果不将星系特征适当地加以考虑，那么科学家对宇宙暗能量的数量将考虑不足。未来的诸如LSST望远镜和欧几里得太空使命对星系特征和暗能量的探索显得至关重要，天文学家试图对宇宙的膨胀速度进行精确测量。最近几年，宇宙学取得了巨大进步，然而，许多问题依旧存在，甚至未能“浮出水面”。世界性的天文学大会提供了交流机会，现有的理论与前沿的天文观测存在差异，解释和修补两者的差异推动了天文学和物理学的发展，尝试对标准模型未能解释的物理现象进行解释，这将产生新物理学的契机。

（编译：2015-7-9）

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