暗物质很可能是酝酿宇宙中最早星系的起始成分，在大爆炸后不久，暗物质粒子就会聚集在一起形成引力“晕”，将周围的气体拉进它们的核心，随着时间的推移，这些核心冷却并凝聚成第一个星系。尽管暗物质被认为是宇宙结构的中坚力量，但科学家对其性质知之甚少，因为到目前为止，这些粒子一直没有被探测到。现在麻省理工学院、普林斯顿大学和剑桥大学的科学家们发现，早期宇宙和最初的星系看起来会非常不同，这取决于暗物质的性质。
如果暗物质是“模糊的”，而不是冷暗物质或暖暗物质，研究团队第一次模拟了早期星系形成的样子。在最广泛接受的情况下，暗物质是冷的（也就是冷暗物质），由缓慢移动的粒子组成，除了引力效应外，这些粒子与普通物质没有相互作用。暖暗物质被认为是冷暗物质一个稍轻和移动更快的版本，而模糊暗物质，一个相对较新的概念，是完全不同的东西，由超轻粒子组成，每个粒子质量约为电子的十亿分之一(10^-27)(冷暗物质粒子要重得多，大约是电子质量的10^5倍)。
在研究模拟中，研究人员发现，如果暗物质是冷的，那么早期宇宙中的星系将在接近球形的晕中形成。但是，如果暗物质的性质是模糊暗物质或暖暗物质，那么早期的宇宙看起来会非常不同，星系首先在延伸的尾巴状细丝中形成。在模糊暗物质的宇宙中，这些细丝会出现条纹，就像竖琴上点亮星光的弦。随着新的望远镜上线，将能够看到更远的早期宇宙，科学家或许能够从星系形成的模式中，推断出暗物质的性质是“模糊”的，而不是冷暗物质或暖暗物质。
麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的物理学副教授Mark Vogelsberger是发表在《物理评论快报》上这项研究的合著者，该论文主要作者是普林斯顿大学的Philip Mocz和剑桥大学的Anastasia Fialkov，以及以前的苏塞克斯大学。虽然暗物质还没有被直接探测到，但描述暗物质为冷的假设已经被证明成功地描述了可观察宇宙的大规模结构，因此，星系形成模型是基于冷暗物质的假设。
问题是，在对冷暗物质的观察和预测之间存在一些差异。例如，如果观察非常小的星系，这些星系中暗物质的推断分布与理论模型预测并不完全一致，因此那里存在着“张力”。然后，进入暗物质的另一种理论，包括暖暗物质和模糊暗物质，这是近年来研究人员提出的。暗物质的本质仍然是一个谜，模糊暗物质是由基础物理(例如弦理论)驱动的，因此是一个有趣的暗物质候选者。宇宙结构是验证或排除这种暗物质模型的关键。
模糊暗物质是由非常轻的粒子组成，它们以量子、波状的方式活动，而不是单独的粒子。这种模糊暗物质的量子性质可能产生了早期星系，这些星系看起来与标准模型对冷暗物质的预测完全不同。即使在晚期宇宙中，这些不同的暗物质场景可能会预测出类似的星系形状，但第一个星系将是截然不同的，这将给我们提供关于暗物质是什么的线索。
为了了解冷暗物质和模糊暗物质的早期宇宙有多么不同，研究人员模拟了早期宇宙的一个小立方体空间，直径约为300万光年，并将其向前运行，以观察在三种暗物质场景之一：冷、温暖和模糊的情况下，星系将如何形成。该团队通过假设暗物质的某种分布开始每一次模拟，科学家们根据宇宙微波背景，在宇宙大爆炸后40万年被探测到的“遗迹辐射”测量，对暗物质的分布有了一些了解。暗物质没有恒定的密度，即使在早期，在恒定密度场的顶部有微小扰动。
研究人员能够使用现有算法在冷暗物质和暖暗物质的情况下模拟星系形成。但是为了模拟具有量子性质的模糊暗物质，需要一种新的方法。研究人员修改了对冷暗物质的模拟，使其能够解决两个额外的方程，以便模拟模糊暗物质宇宙中的星系形成。第一个方程，薛定谔方程，描述了量子粒子如何充当波，而第二个方程，泊松方程，描述了该波如何产生密度场，或暗物质的分布，以及这种分布如何导致引力-最终吸引物质形成星系的力量。
然后将这一模拟与描述宇宙中气体行为的模型相结合，以及气体凝聚成星系的方式，以响应引力效应。在这三种情况下，星系都是在密度过大或重力塌陷的暗物质大量聚集的地方形成。然而，这种暗物质的模式是不同的，这取决于它是冷暗物质，暖暗物质，还是模糊暗物质。在冷暗物质情况下，星系形成于球状晕以及较小的次晕中。暖暗物质产生了第一个尾巴状细丝的星系，没有亚晕。这可能是由于暖暗物质更轻，移动更快的性质，使得粒子不太可能停留在较小的次晕团块中，类似于暖暗物质，模糊暗物质沿着细丝形成恒星。
但是后来量子波效应“接管”了形成星系的过程，形成了更多条纹的细丝，就像看不见的竖琴上的弦。这种条纹图案是由于干扰，当两个波重叠时就会产生这种影响。当这种情况发生时，例如在光波中，每个波的波峰和波谷对齐点形成较暗斑点，形成亮和暗区域的交替图案。在模糊暗物质的情况下，而不是亮点和暗点，它产生了暗物质密度过高和过低的交替模式。在这些过密度处得到大量重力拉力，气体也会随之而来，并且在某个点上会沿着这些过密，而不是不足密度形成星系，这幅图画将在整个早期宇宙中复制。
该团队正在开发更详细预测早期星系在由模糊暗物质主导的宇宙中可能是什么样子。目标是为即将到来的望远镜提供一张地图，例如詹姆斯韦伯太空望远镜，它可能能够追溯到足够远的时间来发现最早星系。如果看到了丝状星系，例如Mocz，Fialkov，研究人员模拟的那些星系，这可能是暗物质本质是模糊暗物质的第一个迹象。基于对早期宇宙的观察，可以为暗物质的性质提供这种观测测试，这将在未来几年内变得可行。
博科园｜研究/来自：麻省理工学院
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.141301
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