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暗物质是“冷”还是“温”？宇宙小尺度测量是关键

宇宙的第一代星系在暗物质晕中形成。利用21厘米谱线观测，或许还可以帮助回答暗物质是“冷”还是“温”这一关键问题。

来源：视觉中国

根据宇宙学的观测，构成我们世界的重子物质（原子物质）只占宇宙中总能量的5%，而暗物质则占了27%。暗物质的本质，是当前基础科学中最重大的科学问题之一。在当前的宇宙学中，科学家提出三种有关暗物质的理论模型——冷暗物质模型、热暗物质模型和温暗物质模型。

宇宙在“婴儿”时期非常炽热，各种粒子频繁碰撞，处于“热浴”之中。暗物质在宇宙“婴儿”时期也处于“热浴”之中，但它们的碰撞截面非常小，随着宇宙膨胀，温度快速下降，暗物质很快就不再参与碰撞。

如果暗物质退出碰撞时，运动速度比较慢，无法达到光速，这就是冷暗物质模型。如果其运动速度接近光速，就是热暗物质模型。由于热暗物质模型无法合理解释宇宙大尺度结构的形成，因此冷暗物质模型成为主流模型。

但冷暗物质模型却无法很好地解释一些星系尺度上的问题——在冷暗物质模型中，星系的密度轮廓在星系中心形成陡峭的尖峰，而这与实际观测明显不符；在冷暗物质模型中，大型星系周围存在大量的“卫星星系”，而在实测中看到的卫星星系数量与之相比要少得多。

面对这样的情况，温暗物质模型应运而生。在宇宙大尺度结构的形成上，它也可以很好地解释宇宙学观测数据。由于运动速度快得多，相比于冷暗物质模型，温暗物质模型可以在一定程度上“抹平”一些小尺度结构，从而弥补冷暗物质模型的不足。

但暗物质到底是“冷”还是“温”？要想弄清楚这一点，关键是要精确测量宇宙小尺度上的结构，可这是极其困难的。目前只有少数几种观测方法——如强引力透镜观测、赖曼—阿尔法森林观测、银河系卫星星系观测等，不过这些方法也都有局限性，目前尚不能从根本上解答问题。

不过，还有一种有趣的探测方法——“21厘米森林”观测。当背景源为射电噪类星体、伽马射线暴的射电余晖等高红移射电亮的点源时，它们发出的光被其路径上更冷的中性氢原子气体云团在21厘米波长上吸收，那么在源的光谱上就会形成一系列密集的21厘米吸收线，这些森林状的吸收线被形象地称为“21厘米森林”。它对于小暗晕的尺度很敏感，提供了在宇宙黎明时期探测小至几千秒差距尺度的独一无二的手段。

如果能够探测到这样的21厘米吸收线，那么通过对吸收暗线的计数，就可以对暗物质粒子的质量进行限制，从而回答暗物质到底是冷还是温这一基本问题。

与此同时，“21厘米森林”信号随气体温度升高而减弱。实际上，宇宙早期的加热历史也是天体物理和宇宙学中一个基本且未解决的问题，它与第一代星系的形成有直接的联系。如果“21厘米森林”信号是可以被探测到的，那么它本身也会成为宇宙加热历史的绝佳探针。

然而，早期宇宙结构形成的加热效应会轻易抑制“21厘米森林”信号，使探测变得非常具有挑战性——信号对温度很敏感，一旦加热比较严重，信号就会很容易被埋葬到噪声中，以至于很难测到。

更棘手的是，暗物质的性质和“宇宙黎明”的加热过程同时影响信号，二者的效应难以区分。因此，我们面对着双重的难题，一是弱信号如何提取的问题，二是暗物质效应与宇宙加热效应难以区分的问题。

该如何来破解这些技术难题呢？有科学家提出用增加观测时间的方法来解决弱信号提取问题。这是因为，对于明亮的高红移类星体，观测时间增加到1000小时，非常弱的信号也有可能被提取出来。

即便有诸多优点和不可替代性，“21厘米森林”也是一个非常冷门的宇宙学探针。现实中根本不可能有任何射电望远镜会给这样一个观测项目如此多的观测时间。这也是为何这一方法被提出20年来还没有付诸实施的主要原因。

（作者：徐怡冬 张鑫，分别系中国科学院国家天文台副研究员、东北大学教授）

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