传统观点认为，在早期宇宙中，暗物质池——特别是“冷”暗物质，一种由行动迟缓、慢速运动的粒子组成的暗物质——吸引了气体，从而产生了第一批恒星。但每一次寻找冷暗物质的实验都失败了，这让一些天文学家开始怀疑他们是否应该寻找替代形式。如果早期宇宙中充满了某种完全不同的暗物质，那么随后会出现什么样的星系呢？
在四月份上传到预印本服务器 arXiv.org 并提交给《英国皇家天文学会月刊》的一篇论文中，一组理论家模拟了原始星系在三种不同类型的替代暗物质云团中形成时的样子： “暖”暗物质、“模糊”暗物质和具有声波振荡的“相互作用”暗物质。通过将它们与冷暗物质星系模拟进行比较，研究人员发现了奇特的结构和化学差异，詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 或许能够看到的星系调整。
“这是一项非常令人印象深刻的工作，”伊桑·纳德勒（Ethan Nadler）说，他是卡内基天文台和南加州大学洛杉矶分校的博士后研究员，他没有参与该项目。“对我来说，最酷的事情是看到不同的暗物质模型同时被探索。”
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在 20 世纪 70 年代，天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）通过她细致地测量星系旋转速度的工作表明，在缺乏可能来自某种神秘、看不见的物质的“额外”引力的情况下，大多数星系不会保持凝聚在一起。许多人怀疑宇宙的星系位于巨大的暗物质云中，称为“晕”，比星系本身大许多倍。大多数天文学家现在认为，宇宙中惊人的 84% 的物质是由这种看不见的东西组成的。从那时起，科学家们一直在努力揭示它——但徒劳无功。
“在更大的尺度上，一切都与[冷暗物质]一致，”苏格兰爱丁堡大学的天文学家罗梅尔·戴夫（Romeel Dave）说，他没有参与这项研究。“但是当你开始转向非常小的尺度时，问题就出现了。”
当然，“小”是相对的：模拟可以惊人地忠实地复制巨大的星系团和其他大型宇宙结构，但在单个星系的较小尺度上，诱人的不一致性挑战了冷暗物质模型。例如，对于卫星矮星系来说，起源故事可能没有那么简单，卫星矮星系是围绕较大星系运行的小星系，很像月球围绕地球运行。经过数十年的搜索，观测者通常发现卫星矮星系的數量少于理论家的预测，从而引发了一场名为“小尺度危机”的天文争论。
进入替代暗物质。
“宇宙学家喜欢创造危机，”戴夫说，“但这基本上是这篇论文的想法的起源，试图理解替代暗物质解决方案对小尺度危机的影响。这是我们可以测试的东西。”
替代暗物质是小尺度危机的最初解决方案，因为它可能抑制神秘物质浓缩形成较小尺度的“精细”结构，卫星星系和其他相对微小的宇宙物体可以在其上合并。事实证明，以这种方式调整冷暗物质解决了许多悖论。总的来说，该小组研究了三种类型的替代暗物质：暖暗物质、模糊暗物质和具有声波振荡的相互作用暗物质。
冷暗物质是迟钝的。它移动缓慢。凭借这种迟缓性，冷暗物质只是静静地待着，除了吸引和浓缩物质形成星系和星系团外，几乎什么都不做。在光谱的另一端，热暗物质以相对论速度移动，使其无法聚集任何东西。暖暗物质位于这两种极端之间，可能表现出广泛的速度范围。该团队选择了暖暗物质参数，允许晕圈组装星系，其速度足够快，可以阻止较小尺度结构的形成。
模糊暗物质（也称为超轻暗物质）在速度方面与冷暗物质相似，只是每个粒子的质量非常小，以至于量子效应变得重要——这赋予了它显着的波动性。来自量子效应的暗物质上的额外压力也抑制了暗物质中的精细结构，导致模糊的外观。
声波振荡暗物质尤其微妙。这种形式的暗物质能够与“暗辐射”相互作用，“暗辐射”充当暗物质粒子之间的力载体，对暗物质产生向外的压力。引力的拉力和压力的推力导致流体“暗等离子体”中出现波状密度模式。这些密度波，亚星系大小，本身就是一种暗物质形式。最接近的类比是声波在流体中传播。声波振荡也抑制了密集的特征。
加州理工学院的研究生雅各布·沉（Jacob Shen）、麻省理工学院的博士后研究员乔什·博罗（Josh Borrow）及其合著者提出了一个问题：在替代暗物质晕中诞生的早期宇宙星系是如何开始的，以及它们在成长过程中会发生什么？
“这是一个初步研究，但非常有趣，”戴夫说。
该小组选定了一个时间段，从大爆炸后约十亿年开始，当时宇宙的第一个宇宙结构出现——该小组怀疑这个时代将是寻找显着差异的最佳时机。从这一点开始，研究人员模拟了微弱的原始矮星系的形成。
“研究矮星系的动机是它们生活在最小的暗物质晕中，”纳德勒解释说。“这些变化应该很容易反映在生活在那些微小晕圈中的矮星系中。”
为了运行他们的模拟，研究人员使用了一个名为 AREPO 的代码以及 IllustrisTNG 和 THESAN 模型。该软件将虚拟空间划分为微小的三维曲面细分，这些曲面细分能够移动和变形，这种风格允许该小组复杂地跟踪需要它的区域中的原始气体和暗物质物理学——并忽略不需要它的区域。
大约两百万个 CPU 小时后，模拟揭示了独特的结构和组成。
正如预期的那样，移动缓慢的冷暗物质具有允许致密结构形成的正确特性，而在替代暗物质情景中，这些精细特征被抑制了。声波振荡暗物质具有最详细的结构，其次是暖暗物质。模糊暗物质模型产生的结构最不详细，最模糊的暗物质结构。
模拟还揭示了一个新的发现：替代暗物质类型与星暴之间的联系，星暴是星系内部恒星形成的极快时期。替代暗物质星系进入星暴时期的时间晚于围绕冷暗物质构建的星系。但是，这些较晚的星暴并没有导致恒星稀疏的星系——所有后期出现的替代暗物质星系最终都赶上了恒星的产生。有些甚至最终经历了更高的恒星形成率：通过模糊暗物质形成的星系表现出后期但伟大的星暴，导致恒星数量是冷暗物质预期数量的三到四倍。
星系星暴的延迟具有连锁反应，即超新星爆发的相应延迟，超新星爆发富含重元素的星系。因此，各种替代暗物质晕构建了重元素丰度较低的小型矮星系。随着模拟中时间的继续流逝，后期星暴爆发成富含金属的恒星核心，这些核心被金属丰度较低的恒星所包围，与冷暗物质相比。
尽管有其他可能的方式让冷暗物质结束小尺度危机，例如更好地模拟各种星系塑造反馈机制，但研究替代暗物质模型的一个吸引力在于有可能找到可以进行观测测试的新现象。
在这种特定情况下，詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 可能能够胜任寻找和研究宇宙中最早的矮星系的任务，将基于模型的对其大小、形状和化学成分的预测与实际盛行的暗物质味道进行比较。关键是将詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 与更大的宇宙望远镜（称为引力透镜）连接起来。尽管它们的名字很花哨，但这些仅仅是星系团，它们的质量非常大，以至于它们周围质量弯曲的时空放大了来自背景物体的光。利用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 观察幸运地与早期宇宙中遥远背景星系对齐的合适引力透镜，天文学家或许可以瞥见来自小型原始卫星星系的光芒——并由此揭示暗物质仍然神秘的真实形式。