暗物质可能远比科学家一度认为的要复杂。一项新研究表明，它可能由至少两种不同类型的粒子组成，这些粒子随时间推移缓慢分离，较重的粒子向星系中心沉降，而较轻的粒子则向外漂移。这一简单的理念或许能解释多年来困扰天文学家的若干令人困惑的宇宙观测结果，从异常弥散的矮星系，到通过引力透镜效应弯曲光线的惊人致密的暗物质团块。
最大的谜团之一是在某些矮星系中心发现的暗物质浓度惊人地低，以及通过强引力透镜推断出的暗物质团块出乎意料地致密。尽管这些观测结果似乎指向相反的方向，但一项新研究表明，它们可能拥有相同的根本解释。
暗物质新理论
中国科学院紫金山天文台的物理学家提出，暗物质可能不仅仅由单一类型的粒子组成。相反，它可能由具有不同质量的粒子构成。
他们提出的新的“双成分自相互作用暗物质”模型包含至少两种暗物质粒子，一种较重，一种较轻。除了通过引力相互作用外，这些粒子还可以直接相互碰撞。这些相互作用导致了一个被称为“质量分层”的过程。
简而言之，较重的暗物质粒子会逐渐向星系中心漂移，而较轻的粒子则随时间推移向外扩散。研究人员将这种行为与星团相比，在星团中，质量最大的恒星缓慢向内迁移，而低质量恒星则移动到离中心更远的地方。
模拟结果与宇宙观测相吻合
通过结合高分辨率计算机模拟和详细的理论建模，研究团队发现质量分层过程能够自然地再现广泛的天文观测结果。
在矮星系中，这一过程形成了中心密度相对较低的暗物质核心，这与最近的星系成团观测结果相吻合。在更大且更复杂的环境中，一些暗物质晕变得愈发紧凑，形成了能够产生强引力透镜效应的致密结构。
该模型还提高了小尺度引力透镜事件发生的可能性。随着较重的暗物质粒子在关键区域聚集，暗物质子结构在放大来自遥远背景星系的光线方面变得更加有效。这有助于解释为何天文学家观测到的小尺度强引力透镜事件多于传统模型的预测。
更丰富的不可见宇宙图景
研究人员表示，这些看似矛盾的宇宙学谜题实际上可能指向同一个结论。它们可能都反映了暗物质具有比先前认为的更复杂的内部属性，而无需分别进行解释。
随着未来的巡天观测和引力透镜观测变得更加精确，科学家们将拥有新的机会来验证暗物质是否确实由多种成分构成。这些天然的“宇宙放大镜”可能为这一不可见宇宙的新图景提供迄今为止最有力的证据。
这些发现是紫金山天文台团队探索双成分自相互作用暗物质的第二项研究。他们早期发表在《物理评论D》（Physical Review D）上的工作，探讨了质量分层如何影响在矮星系中观测到的广泛暗物质核心密度。这项新研究发表在《科学通报》（Science Bulletin）上。论文作者包括杨大能、范一中、侯思源和蔡岳霖。
作为中国科学院下属机构，紫金山天文台是中国暗物质研究的主要中心之一。该研究所通过DAMPE（“悟空”）卫星在间接暗物质探测领域发挥重要作用，并在天体物理学、宇宙学、暗物质和星系演化领域开展具有影响力的研究。