【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院沈俊太教授團組利用我國LAMOST望遠鏡觀測的K型巨星，探究了銀河系并合歷史遺留的暗物質(zhì)速度子結(jié)構(gòu)在太陽鄰域的貢獻，并對上海交大主導(dǎo)的暗物質(zhì)探測實驗PandaX-4T實驗結(jié)果的探測排除極限進行了一定的修正。這一成果以“Deciphering the Kinematic Substructure of Local Dark Matter with LAMOST K Giants”為題發(fā)表在國際天文期刊《天體物理期刊》(The Astrophysical Journal)上。
 

　　暗物質(zhì)是當今物理學(xué)最前沿的研究方向之一。暗物質(zhì)占據(jù)宇宙中總質(zhì)量的27%，約是可見物質(zhì)的5倍，它對宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)形成、星系的形成和演化具有重要作用。雖然天文學(xué)上有很多暗物質(zhì)存在的觀測證據(jù)，如星系的旋轉(zhuǎn)曲線、強引力透鏡等，但人們還不了解它的本質(zhì)，需要通過暗物質(zhì)直接探測實驗去證實它的存在，進而測量暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量等性質(zhì)。
 

　　近幾十年來，國內(nèi)外有眾多暗物質(zhì)直接探測實驗在如火如荼地展開，其中一大類是通過暗物質(zhì)粒子和探測靶的碰撞反沖來探測的，如上海交大牽頭的PandaX實驗團隊、清華大學(xué)牽頭的CDEX合作組等。而地球附近暗物質(zhì)的密度和速度分布是詮釋實驗結(jié)果關(guān)鍵輸入。對于質(zhì)量為質(zhì)子質(zhì)量數(shù)倍的較輕暗物質(zhì)粒子，由于探測器低能閾值的影響，暗物質(zhì)的速度分布形狀尤為關(guān)鍵。在同PandaX實驗的劉江來教授深入討論后，沈俊太教授決定利用最新的觀測數(shù)據(jù)對太陽鄰域暗物質(zhì)密度和速度分布進行獨立限制。
 

　　絕大多數(shù)探測實驗假設(shè)銀河系的暗物質(zhì)暈達到了平衡態(tài)，太陽鄰域暗物質(zhì)粒子的速度服從各向同性的麥克斯韋-玻爾茲曼分布，也就是標準暗暈?zāi)Ｐ?。然而，銀河系的早期主并合事件——GES衛(wèi)星星系并合——具有高度徑向化的軌道，其貢獻的暗物質(zhì)雖在空間上已混合均勻，但在速度分布上遺留下了高度徑向化的“運動學(xué)子結(jié)構(gòu)”。而數(shù)值模擬研究表明，從最早期的并合事件吸積的暗物質(zhì)暈，經(jīng)過長時間的混合，達到了各向同性的穩(wěn)態(tài)，符合標準暗暈?zāi)Ｐ?，速度分布與貧金屬的暈星相同(如圖1紅線)；而從稍晚期并合事件吸積的暗物質(zhì)，則會像GES并合事件一樣遺留運動學(xué)暗暈子結(jié)構(gòu)(substructure)，其速度分布則可以用中等金屬豐度的暈星來示蹤(如圖1藍線)。
 

　　圖1:金屬豐度和速度相空間的高斯混合模型分解。綠色、紅色、藍色分別對應(yīng)銀盤(disk)、各向同性暗暈(halo)與暗暈運動學(xué)子結(jié)構(gòu)(subs)成分。
 

　　得益于大樣本巡天數(shù)據(jù)的幫助，沈俊太教授團組從我國LAMOST望遠鏡第八次數(shù)據(jù)釋放(DR8)和歐洲Gaia衛(wèi)星第三次數(shù)據(jù)釋放(DR3)的交叉樣本中，選取了K型巨星來研究太陽鄰域暗物質(zhì)的速度分布。前者有精確的金屬豐度和視向速度測量，后者提供了高精度的恒星自行速度。在金屬豐度和速度相空間中，團組利用高斯混合模型提取了各向同性暈(Halo)和運動學(xué)子結(jié)構(gòu)(Substructure)的速度分布及相對占比(見圖1)。在對不同空間和角動量判據(jù)的子樣本進行分析和比較后，研究發(fā)現(xiàn)暈星中運動學(xué)子結(jié)構(gòu)成分的相對占比和速度分布幾乎沒有變化，因此可以將結(jié)論更嚴格地內(nèi)推到太陽鄰域(見圖2)。
 

　　圖2:運動學(xué)子結(jié)構(gòu)Substructure相對占比隨不同樣本高度(左圖)和半徑(右圖)的變化。紅色點為采取額外角動量限制的樣本結(jié)果。
 

　　進一步地，該研究利用星系的金屬豐度—恒星質(zhì)量、恒星質(zhì)量—暗暈質(zhì)量關(guān)系，將銀暈恒星中的子結(jié)構(gòu)相對占比(～85%)轉(zhuǎn)化為了太陽鄰域暗物質(zhì)中的子結(jié)構(gòu)相對占比(～25%)。結(jié)合從暈星得到的暗物質(zhì)各成分的速度分布，進而得到了太陽鄰域暗物質(zhì)的日心視向速度分布(如圖3左圖)。這一修正后的速度分布顯著偏離了通常假設(shè)的標準暗暈?zāi)Ｐ?，對暗物質(zhì)直接探測實驗中的最小散射速度曲線、散射截面-暗物質(zhì)粒子質(zhì)量曲線(排除曲線)以及年度調(diào)制效應(yīng)有重要的影響。團組將研究結(jié)果應(yīng)用到PandaX-4T的實驗結(jié)果解釋中，發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量端修正后的速度分布給出的排除極限變?nèi)酰?倍質(zhì)子質(zhì)量附近變化約一個數(shù)量級，而在高質(zhì)量端有更強的排除極限(如圖3右圖)。
 

　　圖3:左圖：修正后的太陽鄰域暗物質(zhì)日心視向速度分布。藍線和紅線分別為暗物質(zhì)速度子結(jié)構(gòu)和各向同性成分的貢獻，黑色實線為太陽鄰域總的暗物質(zhì)速度分布，虛線為標準暗暈?zāi)Ｐ拖碌乃俣确植?。右圖：修正后的暗物質(zhì)速度分布在PandaX-4T實驗中的排除曲線。
 

　　沈俊太教授指出，“這是上海交通大學(xué)天文和粒子物理研究方向的一個非常重要的合作成果。在前人的工作中，大多默認太陽鄰域暗物質(zhì)的速度服從麥克斯韋-玻爾茲曼分布，而近些年來對銀河系早期主并合事件的研究表明，真實的速度分布會一定程度偏離標準暗暈?zāi)Ｐ?，這對暗物質(zhì)直接探測實驗中的年度調(diào)制效應(yīng)和排除曲線有一定的影響，從而影響對實驗結(jié)果的解讀。”未來，團組將通過數(shù)值模擬來研究并合事件的軌道參數(shù)、星系質(zhì)量等性質(zhì)對太陽鄰域暗物質(zhì)密度和速度分布的影響，為暗物質(zhì)探測實驗的解讀提供更多的幫助和指導(dǎo)。
 

　　上海交通大學(xué)博士生朱海和博士后郭銳為共同第一作者，沈俊太教授為通訊作者，合作者為上海交通大學(xué)劉江來教授、國家天文臺劉超研究員、薛香香研究員、張嵐副研究員和清華大學(xué)毛淑德教授。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)基金、中國博士后基金、教育部111計劃的資助。