加那利群岛天文研究所 在计算机上模拟的两个星系中的暗物质
它们之间唯一的区别是暗物质的性质
左边没有碰撞，右边有碰撞
这项工作表明，真实星系中的暗物质看起来更像右边的图像，比左边的图像更少结块，更分散
这个圆圈标志着银河系的终结
信用:图片取自布林克曼等人的文章
2018年，《皇家天文学会月报》，474，746
宇宙中的引力是由所谓的“暗物质”提供的，在这种引力下，宇宙从大爆炸时几乎一致的状态演化到现在，那时物质集中在星系、恒星和行星中
“但是，尽管这种额外的物质起着重要的作用，我们对它的性质、行为和组成却几乎一无所知，这是现代物理学的基本问题之一
在《天文学和天体物理学快报》最近的一篇文章中，加那利天体物理研究所/拉古纳大学(ULL)和布宜诺斯艾利斯省西北国立大学(阿根廷胡宁)的科学家们表明，星系中的暗物质遵循“最大熵”分布，这揭示了它的性质
暗物质占宇宙物质的85%，但它的存在只在天文尺度上出现
也就是说，由于其弱相互作用，净效应只有在大量存在时才能被注意到
由于它很难冷却，它形成的结构通常比行星和恒星大得多
由于暗物质的存在只在大范围内出现，因此对其性质的发现可能必须通过天体物理学研究来完成
最大熵 如果说暗物质的分布是根据最大熵(相当于“最大无序”或“热力学平衡”)来组织的，那就意味着它处于最可能的状态
为了达到这种“最大无序”，暗物质必须像气体分子一样在自身内部发生碰撞，从而达到密度、压力和温度相关的平衡
然而，我们不知道暗物质是如何达到这种平衡的
“与空气中的分子不同，例如，因为引力作用很弱，暗物质粒子几乎不应该相互碰撞，所以它们达到平衡的机制是一个谜，”豪尔赫·桑切斯·阿尔梅达说，他是IAC的研究人员，也是这篇文章的第一作者
“然而，如果它们确实相互碰撞，这将赋予它们一种非常特殊的性质，这将在一定程度上解开它们起源的谜团，”他补充道
暗物质的最大熵在矮星系中被检测到，矮星系的暗物质与总物质的比率高于质量更大的星系，因此更容易看到它们的影响
然而，研究人员预计这是所有类型星系的普遍现象
这项研究表明，在热力学平衡中，物质的分布中心密度比天文学家在许多实际应用中假设的要低得多，例如在正确解释引力透镜时，或者在设计通过暗物质的自我湮灭来探测暗物质的实验时
这个中心密度是引力透镜正确解释光的曲率的基础:如果它的密度较低，透镜的作用就较小
要用引力透镜来测量星系的质量，需要一个模型，如果这个模型改变了，测量也就改变了
对于试图利用暗物质的自湮灭来探测暗物质的实验来说，中心密度也非常重要
两个暗物质粒子可能会在一个极不可能的过程中相互作用并消失，但这是它们的本质特征
两个粒子要相互作用，就必须碰撞
这种碰撞的概率取决于暗物质的密度；暗物质的浓度越高，粒子碰撞的概率就越高
桑切斯·阿尔梅达说:“由于这个原因，如果密度改变，自我毁灭的预期产生率也会改变，并且假设实验是根据对给定速率的预测而设计的，如果这个速率非常低，实验就不可能产生积极的结果。”
最后，暗物质的热力学平衡也可以解释星系的亮度分布
这种亮度以一种特定的方式随着距离星系中心的距离而下降，这种方式的物理起源未知，但研究人员正在努力证明这是最大熵平衡的结果
模拟与观察 几十年来，星系中心的暗物质密度一直是个谜
模拟预测值(高密度)和观测值(低值)之间存在很大差异
天文学家已经提出了许多类型的机制来解决这一重大分歧
在这篇文章中，研究人员利用基本的物理原理表明，这些观测结果可以在暗物质处于平衡状态的假设下重现
e
它有最大熵
这一结果的后果可能非常重要，因为它们表明暗物质已经与自身和/或剩余的“正常”(重子)物质交换了能量
伊格纳西奥·特鲁希略(Ignacio Trujillo)是IAC研究人员，也是这篇文章的合著者，他表示:“与宇宙的年龄相比，在如此短的时间内达到平衡的事实，可能是除了重力之外，暗物质和正常物质之间的一种相互作用的结果。”
“这种机制的确切性质需要探索，但要理解支配宇宙中物质总量的这种成分是什么，其结果可能令人着迷
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