星系团碰撞可以用作暗物质探测器吗？
星系团abell 1689的视图，其中有紫色星系和明亮的恒星，没有显示其巨大的暗物质含量（图片来源：uux.cn美国国家航空航天局）
（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（Robert Lea）：众所周知，暗物质是反社会的，拒绝与光和“正常”物质相互作用，使其实际上是隐形的。但科学家们不确定的是，暗物质是否会与自身相互作用。
如果组成暗物质的任何粒子都通过碰撞甚至相互湮灭进行自我相互作用，新的研究表明，星系团可以用作天然的暗物质对撞机。这种暗物质探测方法将取决于这两个巨大的星系群相遇并相互碰撞。
由于这些星系团充满了暗物质，天文学家可以检查这些宇宙碰撞点，以发现暗物质与自身相互作用的可能迹象。
虽然这样的线索不能确切地告诉我们什么粒子构成了暗物质，但它将有助于消除不允许自我相互作用的暗物质模型，使研究人员更接近真正的暗物质候选者。
东北大学物理学助理教授杰奎琳·麦克莱里在一份声明中说：“星系团也由暗物质主导。”。“它们80%到90%的质量是暗物质，物体的质量越大，组成暗物质粒子的运动速度就越快。你本质上是在研究高能碰撞。”
暗物质粒子是反社会的“宇宙幽灵”吗
缺乏相互作用是使暗物质如此难以理解的一件事。尽管暗物质占物质宇宙的80%以上，并提供了阻止星系飞散的引力影响，但暗物质实际上是不可见的，因为它不与光相互作用。同样，暗物质粒子像宇宙幽灵一样穿过物质粒子。
这些反社会特性使科学家们意识到，暗物质不能由电子、质子和中子组成的原子组成，这些原子确实与光相互作用。这引发了对可行的暗物质候选粒子的寻找。
麦克利里说：“宇宙中的一切都是粒子、波和场，所以基线（假设）是暗物质必须是粒子。”。“问题是，什么样的粒子，作为‘粒子’是非常模糊的。”
候选粒子的范围从假想的“弱相互作用大质量粒子”或“WIMPS”到“大质量致密光环物体”或“MACHO”（我们看到了，科学家们），再到被称为轴子或无菌中微子的微小、几乎无质量的粒子。即使是大爆炸留下的微小黑洞，也被称为原始黑洞，被认为是暗物质候选者。
问题是，所有这些嫌疑人都没有被发现，因此仍然是令人沮丧的假设。
一张饼图显示了宇宙中暗物质是如何超过“普通”物质的，这些物质包括我们周围看到的一切。（图片来源：uux.cn/Robert Lea（与Canva共同创建））
暗物质的幻影般的性质意味着我们不能仅仅将暗物质粒子装入地球上的粒子加速器，如大型强子对撞机（LHC），将它们粉碎在一起并确定它们的组成。
因此，尽管大型强子对撞机通过分解质子并观察随之而来的粒子阵雨，破解了所谓的“粒子物理学标准模型”的一些秘密，但位于该模型之外的暗物质似乎不适合世界上最强大的粒子加速器。
我们能够真正推断暗物质存在的唯一方法是通过它似乎参与的一种相互作用。暗物质有质量，因此它扭曲了时空（时间和空间的四维统一），这赋予了它引力影响。
这种影响可以告诉日常物质和光如何移动，我们可以检测到这一点。正是通过这种间接的方法，我们知道星系被巨大的暗物质晕所包围，并且暗物质在星系核心附近也大量存在。
科学家们还提出理论，当星系以巨大的星团聚集在一起时，这是巨大的看不见的暗物质卷须在宇宙中传播的结果，就像宇宙蜘蛛编织的看不到的网一样。这个宇宙网也有助于单个星系聚集质量并生长，因为它的引力影响会吸引普通物质。
一幅插图显示了一个被宇宙中看不见的暗物质网困住的星系。（图片来源：uux.cn/Robert Lea（用canva创作））
麦克利里及其同事建议放弃人造粒子加速器，转而使用天然粒子加速器。他们认为，如果星系团和携带的暗物质以足够的力碰撞，可以发生可检测的暗物质相互作用——如果暗物质确实与自身相互作用的话。
这些相互作用可能很简单，就像暗物质粒子相互碰撞和反弹一样，也可能导致相互湮灭和能量闪光。当粒子和反粒子——比如电子及其被称为正电子的反粒子——相遇时，它们会相互摧毁，并释放出它们所包含的能量。一些暗物质模型表明，它是自己的反粒子，这意味着一种相互作用形式可能是两个暗物质粒子相遇时引起的自湮灭。
为了验证这一想法，该团队在足够强大的计算机上创建了星系团碰撞的模拟，以检查碰撞到粒子-粒子相互作用。这需要用恒星、气体和暗物质之间相互作用的物理模型对模拟进行编程。
通过使用这种模拟和其他类似的模拟，科学家们可以建立一个观察真实暗物质碰撞的路线图。从那里，研究人员可以收集线索，帮助他们确定假设的暗物质粒子需要具备的一些基线特征。这可能会缩小暗物质嫌疑人的范围。
麦克利里说：“如果你能测量一些自我相互作用，或者你能设定一些上限，那么你就排除了暗物质可能存在的粒子类别。”。“如果你测量一些自我相互作用，那么你就会引入另一类粒子。你允许另一类理论。
“这篇论文还说，如果你研究一组正在合并的星系团，比如说100个星系团，你就有机会将暗物质的自我相互作用测量到某个阈值。”
麦克利里总结道：“起初这似乎违反直觉，因为我们总是想要一个肯定的答案：这是什么？”。“但在这种情况下，我们不得不说，这不是什么？这是一个消除的过程。”
该团队的研究于4月发表在《皇家天文学会月刊》上。
