如何建立暗物质模型?

通常情况下，当科学家们想要了解事物是如何工作的，就像一个小孩拿着一把螺丝刀和一个玩具，我们试着把它拆开。但暗物质的问题在于，尽管我们可以看到它的影响，但我们无法真正探测到它或操纵它。那么我们如何理解它呢?一种方法是通过计算机模拟来计算出它一定在做什么。你告诉计算机暗物质以某种特定的方式做什么，然后让它预测如果这是真的，宇宙会是什么样子。然后你就可以想办法在真实的宇宙中检验这个理论。Colin DeGraf是一位在剑桥大学从事类似研究的理论家，他和Chris Smith谈过……

Colin:我的大部分工作都是所谓的宇宙模拟，所以我们不会试图在模拟中表示单个物体，相反，我们只是简单地建模一个巨大的空间，它代表了宇宙的很大一部分。我们讨论的是跨越数亿光年的盒子，其中包括数百万个星系我们从宇宙只有几百万年的时候开始进化，我们看到它是如何在整个宇宙年龄的过程中进化的。

Chris -你在你的模型中加入了什么成分来观察这种演变?

Colin:你想要包含的成分有完全不同的等级。正如你刚才听到的，宇宙中的大部分物质都是黑暗的，所以我们只需要包括暗物质就能很好地模拟宇宙的大规模演化。

Chris -你的理由是因为这构成了宇宙中大部分的质量，如果我们一开始就摆弄它，我们不会遗漏太多。

科林:没错。只要你只考虑大尺度，那就没问题，但是一旦你开始考虑星系的形成，所有这些物质的坍缩到与超星团相比相对较小的地方，你就开始达到一个点，你需要包括重子物质-气体，尘埃和恒星，一旦你包括这些，它也会影响暗物质的坍缩。

Chris -所以你的意思是你的模拟，虽然他们做得很好，但一旦你开始添加额外的东西并观察更多的细节，你就会开始看到不应该在那里的皱纹，所以你知道你错过了什么吗?

Colin -是的，虽然在某种程度上，它甚至是相反的，你只从暗物质开始，然后人们意识到“等一下，当你开始观察矮星系时，我们在真实的宇宙中遗漏了一些矮星系，这些星系中心的物质密度不匹配”，所以我们开始不得不在我们的模型中添加额外的物质。

Chris -这是否会限制人们对暗物质的行为及其性质的认识，因为当你建立这些模型时为了得到一些能代表我们所看到的东西当我们凝视宇宙深处的结构和结构时，我们唯一能解释的方法就是暗物质是否有我们目前无法解释的额外性质?

其中一个问题是你可以调整暗物质模型你可以开始更好地解释一些后期的小尺度，但如果你这样做，就很难解释非常早期的宇宙。如果你调整暗物质只是为了匹配早期的宇宙，那么你就无法解释我们现在看到的。

每次你调整这些模型，你最终都会改变你预测在宇宙中观察到的东西。因此，通过不断修改暗物质和重子或正常物质，我们可以开始预测我们期望的真实宇宙中的物质是什么样子。这些模型中的每一个都给了我们新的预测，然后随着我们有了新的望远镜和新的调查，对宇宙进行了更多的观察，我们实际上可以排除这些模型中的一些。

克里斯-那你能排除什么呢?现在有什么主要的预测能够被搁置或者被放到一边说不，暗物质绝对不会这样，它一定是上面的其中一个?

Colin:通过模拟来排除某些可能性是很棘手的，但我们能做的就是做很多预测，所以我们关注的一件事就是暗物质的行为。在最初的模拟中，我们只是假设暗物质在引力作用下相互作用，仅此而已。暗物质不会与自己碰撞，没有其他相互作用只有引力这在大尺度下表现得很好，在小尺度下则不然所以有些人会提出需要热暗物质而不是冷暗物质。

克里斯:这两者的区别是什么?

科林:本质上，这只是一个暗物质粒子有多大的问题。大质量的暗物质会很冷而小质量的暗物质会很热，这是物理学家的说法基本上是它在早期宇宙中运动的典型速度。冷暗物质在大尺度下做得很好，热暗物质做得不好，我们很清楚大尺度下添加常规的重子物质是没有用的。在小尺度上有很多密度很大的气体和恒星形成这就是我们需要更好地把暗物质和重子物理联系起来的地方。看起来很多小尺度的现象实际上可以用正常物质来解释，这意味着我们目前的模型强烈表明暗物质粒子相对较冷。

Chris -你提出了暗物质是一种粒子的观点，那么我们是否可以合理地总结说宇宙是由这种神秘的东西主导的，它是某种粒子，它有很大的质量因为它非常有效地行使引力并对事物产生引力影响，但除此之外，我们实际上对它一无所知?

科林-大多数情况下，是的。但是有很多不同的解释可以解释这个粒子是什么，其中一些你甚至可能不认为它是粒子。最初，人们提出它们可能是原始黑洞，或者是非常古老的恒星，我们已经能够排除这些可能性。

当我们越来越好地排除这些模型时，我们剩下的是看起来暗物质应该真的被我们认为是冷的，主要是无碰撞的暗物质粒子所解释。