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儀表網 研發快訊】近日，上海交通大學物理與天文學院沈俊太教授團組利用我國LAMOST
望遠鏡觀測的K型巨星，探究了銀河系并合歷史遺留的暗物質速度子結構在太陽鄰域的貢獻，并對上海交大主導的暗物質探測實驗PandaX-4T實驗結果的探測排除極限進行了一定的修正。這一成果以“Deciphering the Kinematic Substructure of Local Dark Matter with LAMOST K Giants”為題發表在國際天文期刊《天體物理期刊》(The Astrophysical Journal)上。
暗物質是當今物理學最前沿的研究方向之一。暗物質占據宇宙中總質量的27%，約是可見物質的5倍，它對宇宙的大尺度結構形成、星系的形成和演化具有重要作用。雖然天文學上有很多暗物質存在的觀測證據，如星系的旋轉曲線、強引力透鏡等，但人們還不了解它的本質，需要通過暗物質直接探測實驗去證實它的存在，進而測量暗物質粒子的質量等性質。
近幾十年來，國內外有眾多暗物質直接探測實驗在如火如荼地展開，其中一大類是通過暗物質粒子和探測靶的碰撞反沖來探測的，如上海交大牽頭的PandaX實驗團隊、清華大學牽頭的CDEX合作組等。而地球附近暗物質的密度和速度分布是詮釋實驗結果關鍵輸入。對于質量為質子質量數倍的較輕暗物質粒子，由于探測器低能閾值的影響，暗物質的速度分布形狀尤為關鍵。在同PandaX實驗的劉江來教授深入討論后，沈俊太教授決定利用最新的觀測數據對太陽鄰域暗物質密度和速度分布進行獨立限制。
絕大多數探測實驗假設銀河系的暗物質暈達到了平衡態，太陽鄰域暗物質粒子的速度服從各向同性的麥克斯韋-玻爾茲曼分布，也就是
標準暗暈模型。然而，銀河系的早期主并合事件——GES衛星星系并合——具有高度徑向化的軌道，其貢獻的暗物質雖在空間上已混合均勻，但在速度分布上遺留下了高度徑向化的“運動學子結構”。而數值模擬研究表明，從最早期的并合事件吸積的暗物質暈，經過長時間的混合，達到了各向同性的穩態，符合標準暗暈模型，速度分布與貧金屬的暈星相同(如圖1紅線)；而從稍晚期并合事件吸積的暗物質，則會像GES并合事件一樣遺留運動學暗暈子結構(substructure)，其速度分布則可以用中等金屬豐度的暈星來示蹤(如圖1藍線)。
圖1:金屬豐度和速度相空間的高斯混合模型分解。綠色、紅色、藍色分別對應銀盤(disk)、各向同性暗暈(halo)與暗暈運動學子結構(subs)成分。
得益于大樣本巡天數據的幫助，沈俊太教授團組從我國LAMOST望遠鏡第八次數據釋放(DR8)和歐洲Gaia衛星第三次數據釋放(DR3)的交叉樣本中，選取了K型巨星來研究太陽鄰域暗物質的速度分布。前者有精確的金屬豐度和視向速度測量，后者提供了高精度的恒星自行速度。在金屬豐度和速度相空間中，團組利用高斯混合模型提取了各向同性暈(Halo)和運動學子結構(Substructure)的速度分布及相對占比(見圖1)。在對不同空間和角動量判據的子樣本進行分析和比較后，研究發現暈星中運動學子結構成分的相對占比和速度分布幾乎沒有變化，因此可以將結論更嚴格地內推到太陽鄰域(見圖2)。
圖2:運動學子結構Substructure相對占比隨不同樣本高度(左圖)和半徑(右圖)的變化。紅色點為采取額外角動量限制的樣本結果。
進一步地，該研究利用星系的金屬豐度—恒星質量、恒星質量—暗暈質量關系，將銀暈恒星中的子結構相對占比(～85%)轉化為了太陽鄰域暗物質中的子結構相對占比(～25%)。結合從暈星得到的暗物質各成分的速度分布，進而得到了太陽鄰域暗物質的日心視向速度分布(如圖3左圖)。這一修正后的速度分布顯著偏離了通常假設的標準暗暈模型，對暗物質直接探測實驗中的最小散射速度曲線、散射截面-暗物質粒子質量曲線(排除曲線)以及年度調制效應有重要的影響。團組將研究結果應用到PandaX-4T的實驗結果解釋中，發現低質量端修正后的速度分布給出的排除極限變弱，在5倍質子質量附近變化約一個數量級，而在高質量端有更強的排除極限(如圖3右圖)。
圖3:左圖：修正后的太陽鄰域暗物質日心視向速度分布。藍線和紅線分別為暗物質速度子結構和各向同性成分的貢獻，黑色實線為太陽鄰域總的暗物質速度分布，虛線為標準暗暈模型下的速度分布。右圖：修正后的暗物質速度分布在PandaX-4T實驗中的排除曲線。
沈俊太教授指出，“這是上海交通大學天文和粒子物理研究方向的一個非常重要的合作成果。在前人的工作中，大多默認太陽鄰域暗物質的速度服從麥克斯韋-玻爾茲曼分布，而近些年來對銀河系早期主并合事件的研究表明，真實的速度分布會一定程度偏離標準暗暈模型，這對暗物質直接探測實驗中的年度調制效應和排除曲線有一定的影響，從而影響對實驗結果的解讀。”未來，團組將通過數值模擬來研究并合事件的軌道參數、星系質量等性質對太陽鄰域暗物質密度和速度分布的影響，為暗物質探測實驗的解讀提供更多的幫助和指導。
上海交通大學博士生朱海和博士后郭銳為共同第一作者，沈俊太教授為通訊作者，合作者為上海交通大學劉江來教授、國家天文臺劉超研究員、薛香香研究員、張嵐副研究員和清華大學毛淑德教授。本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發基金、中國博士后基金、教育部111計劃的資助。
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