在对暗物质进行了数十年的研究之后，科学家们反复发现了它不可能是什么的证据，但很少有迹象表明它是什么。这种情况可能刚刚改变。一项对四个碰撞星系的研究首次表明，其中的暗物质可能通过某种未知的力（而非引力）与自身相互作用，这种力对普通物质没有影响。这一发现可能是关于构成宇宙中被认为占24%的不可见物质的重要线索。
“如果得到证实，这个结果可能会颠覆我们对暗物质的理解，”伊利诺伊州费米国家加速器实验室的物理学家唐·林肯说，他没有参与这项研究。所谓“自相互作用暗物质”已经被提出一段时间了，但它通常被认为是异端邪说。最简单的暗物质模型将其描绘成一个单一粒子——一个恰好很少或根本不与其同类和其他普通物质相互作用的粒子。物理学家倾向于最基本的解释，以符合要求，并且仅在必要时才添加额外的复杂性，因此这种情况往往是最受欢迎的。暗物质要与自身相互作用，不仅需要暗物质粒子，还需要一种暗力来支配它们的相互作用，以及暗玻色子粒子来传递这种力。这种更复杂的图景反映了我们对普通物质粒子的理解，普通物质粒子通过传递力的粒子相互作用。例如，质子通过电磁力相互作用，电磁力由称为光子的粒子（光粒子）携带。
现在，由英国杜伦大学的理查德·梅西领导的科学家在英国皇家天文学会月刊上报告了暗力和暗玻色子可能真实存在的最初迹象。研究人员使用智利甚大望远镜上的 MUSE（多单元光谱探测器）仪器，以及哈勃太空望远镜，检查了阿贝尔3827星系团，那里有四个星系在宇宙车祸中碰撞。
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为了确定看不见的暗物质位于何处，天文学家利用了爱因斯坦广义相对论预测的一种自然现象，称为引力透镜。当质量扭曲时空时，就会发生透镜效应，导致穿过这个弯曲区域的光线采取弯曲路径。阿贝尔3827中的暗物质非常丰富，因此它显著地扭曲了周围的空间。当来自星系团后面遥远物体的光线传播到地球时，它会穿过这个扭曲的区域，并产生明显的透镜效应迹象，例如光弧和双重图像，天文学家使用这些迹象来“称量”星系团中看不见的物质。科学家们发现，在至少一个碰撞星系中，星系中的暗物质已经与其恒星和其他可见物质分离了约 5,000 光年。一种解释是，来自这个星系的暗物质与来自飞过它的另一个星系的暗物质相互作用，这些相互作用减慢了它的速度，导致它分离并落后于普通物质。
这种相互作用类似于两个质子彼此靠近时发生的情况。每个质子释放出一个光子，该光子被另一个质子吸收，导致两个粒子都反冲。这种排斥力发生在任何两个具有相同电磁电荷的粒子之间，并且也可能发生在任何两个暗物质粒子之间。但是，由于暗物质不受电磁力的影响，只有一种新的“暗”力（由所谓的暗光子携带）才能产生排斥力。也可能只有一部分暗物质与自身相互作用，而大部分暗物质是更传统的单粒子类型。“对于我们那种模型来说，这似乎非常好，其中只有一小部分暗物质相互作用，”哈佛大学物理学家丽莎·兰德尔说，她设想了这样一个模型。
研究负责人对解释他们的观测结果持谨慎态度。“这非常非常令人兴奋，因为这是首次潜在地探测到非引力相互作用，但我们必须在更多这些物体中看到这一点，”瑞士洛桑联邦理工学院的团队成员大卫·哈维说。“这绝不是确定的。” 例如，望远镜观察到的模式可能是由星系团外部但沿着地球视线的额外暗物质引起的，而不是自相互作用暗物质。“这是其中一种情况，如果最终结果是暗物质，那将非常令人兴奋，但每个人都需要在处理它时保持一点谨慎，仅仅因为这个简单的事实，”纽约大学物理学家尼尔·韦纳说，他没有参与这项研究。
韦纳说，具有暗力和暗光子的自相互作用暗物质可能不如单粒子解释那么简单，但它同样是一个合理的想法。“考虑暗物质具有自身相互作用的最强烈的动机仅仅是，当我们查看描述所有已知粒子和力的‘标准模型’时，‘我们看到它充满了各种不同的相互作用。暗物质可能具有自身的力量似乎很自然。’” 这种设置也可以解释单粒子模型的预测与天文学家实际观察到的一些微小差异。例如，单粒子模型认为星系中心应该比实际更密集；然而，如果暗物质与自身相互作用，它就会倾向于在星系核中碰撞并推开。
到目前为止，在其他星系碰撞中还没有出现自相互作用暗物质的迹象。另一个著名的碰撞地点，子弹星系团，是第一个提供暗物质存在有力证据的星系团之一，因为引力透镜效应表明，星系团的大部分质量位于与可见物质不同的位置。但是那里的分离还不够大，无法表明暗物质正在相互作用。“这个结果与子弹星系团并不冲突，”加州大学戴维斯分校的马鲁莎·布拉达奇说，她是 2006 年最初的子弹星系团研究的负责人之一，因为那个例子只对相互作用的强度设定了上限。哈维领导的另一项最近的研究于 3 月发表在科学杂志上，调查了 72 个星系团碰撞，也没有发现自相互作用暗物质的迹象。但是该研究的目标以及子弹星系团都是碰撞的星系团——而不是像阿贝尔3827中那样的单个星系碰撞在一起。单个星系碰撞的速度比整个星系团碰撞的速度慢，这可能给了暗物质粒子更多的时间相互作用并减速。真正的考验将来自天文学家观察其他单个星系碰撞时。“我们可以观察的其他星系团处于类似状态，但没有一个像这个一样完美，”哈维说。“但通过未来的调查，我们有望能够看到这些物体。”