傳統觀點認為，在早期宇宙中，暗物質池——特別是“冷”暗物質，一種由行動遲緩、慢速運動的粒子組成的暗物質——吸引了氣體，從而產生了第一批恆星。但每一次尋找冷暗物質的實驗都失敗了，這讓一些天文學家開始懷疑他們是否應該尋找替代形式。如果早期宇宙中充滿了某種完全不同的暗物質，那麼隨後會出現什麼樣的星系呢？
在四月份上傳到預印本伺服器 arXiv.org 並提交給《英國皇家天文學會月刊》的一篇論文中，一組理論家模擬了原始星系在三種不同型別的替代暗物質雲團中形成時的樣子： “暖”暗物質、“模糊”暗物質和具有聲波振盪的“相互作用”暗物質。透過將它們與冷暗物質星系模擬進行比較，研究人員發現了奇特的結構和化學差異，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 或許能夠看到的星系調整。
“這是一項非常令人印象深刻的工作，”伊桑·納德勒（Ethan Nadler）說，他是卡內基天文臺和南加州大學洛杉磯分校的博士後研究員，他沒有參與該專案。“對我來說，最酷的事情是看到不同的暗物質模型同時被探索。”
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在 20 世紀 70 年代，天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin）透過她細緻地測量星系旋轉速度的工作表明，在缺乏可能來自某種神秘、看不見的物質的“額外”引力的情況下，大多數星系不會保持凝聚在一起。許多人懷疑宇宙的星系位於巨大的暗物質雲中，稱為“暈”，比星系本身大許多倍。大多數天文學家現在認為，宇宙中驚人的 84% 的物質是由這種看不見的東西組成的。從那時起，科學家們一直在努力揭示它——但徒勞無功。
“在更大的尺度上，一切都與[冷暗物質]一致，”蘇格蘭愛丁堡大學的天文學家羅梅爾·戴夫（Romeel Dave）說，他沒有參與這項研究。“但是當你開始轉向非常小的尺度時，問題就出現了。”
當然，“小”是相對的：模擬可以驚人地忠實地複製巨大的星系團和其他大型宇宙結構，但在單個星系的較小尺度上，誘人的不一致性挑戰了冷暗物質模型。例如，對於衛星矮星系來說，起源故事可能沒有那麼簡單，衛星矮星系是圍繞較大星系執行的小星系，很像月球圍繞地球執行。經過數十年的搜尋，觀測者通常發現衛星矮星系的數量少於理論家的預測，從而引發了一場名為“小尺度危機”的天文爭論。
進入替代暗物質。
“宇宙學家喜歡創造危機，”戴夫說，“但這基本上是這篇論文的想法的起源，試圖理解替代暗物質解決方案對小尺度危機的影響。這是我們可以測試的東西。”
替代暗物質是小尺度危機的最初解決方案，因為它可能抑制神秘物質濃縮形成較小尺度的“精細”結構，衛星星系和其他相對微小的宇宙物體可以在其上合併。事實證明，以這種方式調整冷暗物質解決了許多悖論。總的來說，該小組研究了三種類型的替代暗物質：暖暗物質、模糊暗物質和具有聲波振盪的相互作用暗物質。
冷暗物質是遲鈍的。它移動緩慢。憑藉這種遲緩性，冷暗物質只是靜靜地待著，除了吸引和濃縮物質形成星系和星系團外，幾乎什麼都不做。在光譜的另一端，熱暗物質以相對論速度移動，使其無法聚集任何東西。暖暗物質位於這兩種極端之間，可能表現出廣泛的速度範圍。該團隊選擇了暖暗物質引數，允許暈圈組裝星系，其速度足夠快，可以阻止較小尺度結構的形成。
模糊暗物質（也稱為超輕暗物質）在速度方面與冷暗物質相似，只是每個粒子的質量非常小，以至於量子效應變得重要——這賦予了它顯著的波動性。來自量子效應的暗物質上的額外壓力也抑制了暗物質中的精細結構，導致模糊的外觀。
聲波振盪暗物質尤其微妙。這種形式的暗物質能夠與“暗輻射”相互作用，“暗輻射”充當暗物質粒子之間的力載體，對暗物質產生向外的壓力。引力的拉力和壓力的推力導致流體“暗等離子體”中出現波狀密度模式。這些密度波，亞星系大小，本身就是一種暗物質形式。最接近的類比是聲波在流體中傳播。聲波振盪也抑制了密集的特徵。
加州理工學院的研究生雅各布·沉（Jacob Shen）、麻省理工學院的博士後研究員喬什·博羅（Josh Borrow）及其合著者提出了一個問題：在替代暗物質暈中誕生的早期宇宙星系是如何開始的，以及它們在成長過程中會發生什麼？
“這是一個初步研究，但非常有趣，”戴夫說。
該小組選定了一個時間段，從大爆炸後約十億年開始，當時宇宙的第一個宇宙結構出現——該小組懷疑這個時代將是尋找顯著差異的最佳時機。從這一點開始，研究人員模擬了微弱的原始矮星系的形成。
“研究矮星系的動機是它們生活在最小的暗物質暈中，”納德勒解釋說。“這些變化應該很容易反映在生活在那些微小暈圈中的矮星系中。”
為了執行他們的模擬，研究人員使用了一個名為 AREPO 的程式碼以及 IllustrisTNG 和 THESAN 模型。該軟體將虛擬空間劃分為微小的三維曲面細分，這些曲面細分能夠移動和變形，這種風格允許該小組複雜地跟蹤需要它的區域中的原始氣體和暗物質物理學——並忽略不需要它的區域。
大約兩百萬個 CPU 小時後，模擬揭示了獨特的結構和組成。
正如預期的那樣，移動緩慢的冷暗物質具有允許緻密結構形成的正確特性，而在替代暗物質情景中，這些精細特徵被抑制了。聲波振盪暗物質具有最詳細的結構，其次是暖暗物質。模糊暗物質模型產生的結構最不詳細，最模糊的暗物質結構。
模擬還揭示了一個新的發現：替代暗物質型別與星暴之間的聯絡，星暴是星系內部恆星形成的極快時期。替代暗物質星系進入星暴時期的時間晚於圍繞冷暗物質構建的星系。但是，這些較晚的星暴並沒有導致恆星稀疏的星系——所有後期出現的替代暗物質星系最終都趕上了恆星的產生。有些甚至最終經歷了更高的恆星形成率：透過模糊暗物質形成的星系表現出後期但偉大的星暴，導致恆星數量是冷暗物質預期數量的三到四倍。
星系星暴的延遲具有連鎖反應，即超新星爆發的相應延遲，超新星爆發富含重元素的星系。因此，各種替代暗物質暈構建了重元素丰度較低的小型矮星系。隨著模擬中時間的繼續流逝，後期星暴爆發成富含金屬的恆星核心，這些核心被金屬丰度較低的恆星所包圍，與冷暗物質相比。
儘管有其他可能的方式讓冷暗物質結束小尺度危機，例如更好地模擬各種星系塑造反饋機制，但研究替代暗物質模型的一個吸引力在於有可能找到可以進行觀測測試的新現象。
在這種特定情況下，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 可能能夠勝任尋找和研究宇宙中最早的矮星系的任務，將基於模型的對其大小、形狀和化學成分的預測與實際盛行的暗物質味道進行比較。關鍵是將詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 與更大的宇宙望遠鏡（稱為引力透鏡）連線起來。儘管它們的名字很花哨，但這些僅僅是星系團，它們的質量非常大，以至於它們周圍質量彎曲的時空放大了來自背景物體的光。利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 觀察幸運地與早期宇宙中遙遠背景星系對齊的合適引力透鏡，天文學家或許可以瞥見來自小型原始衛星星系的光芒——並由此揭示暗物質仍然神秘的真實形式。