近日，由南京大学领导的国际团队利用逆向工程的方法，首次勾勒出银河系的原初暗物质晕。然而其结构特性与冷暗物质的预测却完全不同。
大量观测发现，保持恒星和气体围绕星系旋转所需的引力比可见的物质能提供的牛顿引力要强很多。这一现象通常的解释是，星系被一个质量更大的暗物质晕包裹着。暗物质这一神秘物质，通常被假设为一种未知的、与构成气体、恒星、行星的物质不同的基本粒子。由于暗物质仍然没有被实验探测到，天文学家通过研究暗物质在星系中心和外围的分布来限制其属性。忽略可见的重子物质、而只考虑暗物质的宇宙学数值模拟对冷暗物质晕的密度分布给出了清晰的预测。这一预测仅是对于星系形成前的原初暗物质晕，而非观测上可以直接推出的当前的暗物质晕。
原初暗物质晕经常与当前暗物质晕相混淆，但是他们有着根本上的区别。这是因为原初暗物质晕在星系形成过程会因为中心聚集大量的重子物质而发生剧烈的演化。随着气体向暗物质晕中心聚集并形成星系，晕中心的引力会逐渐变强，从而导致暗物质晕的进一步坍缩。因此，由南京大学领导的该国际团队开发了一种创新的方法，通过逆向工程的技术来重建星系形成前的原初暗物质晕的质量密度轮廓。利用基于最新的Gaia数据测量的自转曲线，该团队首次描绘出银河系的原初暗物质晕。
然而，银河系的原初暗物质晕呈现的特性完全不同于预期。其质量和晕聚集度均明显低于冷暗物质模型的预测。此外，其密度轮廓表现出一种奇特的结构：暗晕中心有一个出奇大的、近乎于常数密度的核，而冷暗物质模型预测晕中心具有一个明显的尖峰。这也进一步揭示出，观测中发现的大质量星系暗晕的中心尖峰是由重子压缩导致的。将暗晕的收缩反演后得到的原初暗晕中心其实是个平坦的核。
核状暗物质晕通常存在于矮星系中，其与冷暗物质预测的矛盾通常被认为是恒星形成过程中发生的高能反馈导致的。例如，超新星爆炸释放出的巨大能量会导致气体外流，并将部分能量传递给暗物质粒子，从而使暗物质粒子一同往外扩散。由于重子压缩效应在矮星系中影响较小，反馈可以有效地将原初暗晕的中心尖峰变成一个平坦的核。然而，对于像银河系这样的大质量星系，当前已有的反馈模型并不能显著地改变暗晕的中心结构，而重子压缩起主导作用。因此，如何在冷暗物质框架下产生一个如此大的核是一个未解之谜。
除了中心的奇异结构，原初暗晕的密度轮廓在外围的下降速度也显著地快于预期。当前，没有任何已知的机制可以解释这一现象。需要注意的是，外围密度的快速下降是由基于Gaia数据的自转曲线快速下降导致的。这一下降趋势自从发现就一直处于热烈的讨论中。长期以来，天文学家主要关注星系暗晕的内部结构与理论预期的矛盾。如果Gaia的下一次数据释放，依然显示银河系的自转曲线在外围呈快速下降，那么来自星系暗晕外围的挑战或许比内部的挑战还要大。
该成果发表在国际知名期刊《天文学和天体物理学快报》(Astronomy & Astrophysics Letters)。论文第一作者和通讯作者均为0567拉斯维加斯助理教授李鹏飞。合作单位包括美国凯斯西储大学、德国莱布尼茨天体物理研究所、法国巴黎天文观测台、以及美国亚利桑那大学。
论文链接：https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202557021
arXiv链接：https://arxiv.org/abs/2511.17705