研究顯示：暗物質或如宇宙超流體般流動，在星系內部形成渦旋線

模擬研究揭示，暗物質能夠形成穩定的渦旋網絡進行旋轉，從而賦予星系平滑、扁平的核球。

這聽起來或許令人難以置信，但新研究表明，暗物質并非毫無特征，其行為實際上可能類似于一種宇宙超流體，在星系內部形成旋轉的渦旋線和被稱為"孤子"的穩定旋轉核心。

如果這一理論得到證實，它可能會重塑科學家對宇宙隱藏結構的理解——從星系的中心到連接星系的巨大宇宙網。

這項研究在玻色-愛因斯坦凝聚的量子世界與暗物質的宏大宇宙尺度之間，發現了令人驚訝的相似之處。

將暗物質轉變為超流體

暗物質約占宇宙總物質質量的85%。它既不發射也不吸收光線，因此望遠鏡無法直接觀測到它。傳統上，科學家將其描述為一種無碰撞的粒子流體，粒子間不發生相互作用且是"冷"的，即所謂的冷暗物質模型。

該模型成功解釋了如星系團等大尺度結構，但在更小的尺度上卻遇到困難。觀測顯示星系的核球較為平滑，而非冷暗物質模型所預測的尖銳密度峰值。

為了解決這個謎題，研究人員轉向了涉及超輕質、類軸子粒子的模型，這些粒子的質量介于10?22電子伏特到1電子伏特之間。事實上，這些粒子如此之輕，以至于它們的行為更像波而非離散的粒子，其運動由薛定諤方程描述，而非通常用于碰撞物質的方程。

當這些粒子還表現出相互排斥的"自相互作用"時，它們的行為就類似于量子超流體，其規律由一種稱為格羅斯-皮塔耶夫斯基方程的非線性薛定諤方程所描述——該方程同樣用于描述地球實驗室中的玻色-愛因斯坦凝聚態。

在這類超流體系統中，旋轉行為與普通流體不同。流體并非平穩地整體旋轉，其流動保持無旋性，這意味著旋轉只能通過"量子化渦旋"發生——這些微小區域的流體相位出現奇異點，形成微小的漩渦。

那么問題來了：如果暗物質表現的像這種量子流體，類似的渦旋是否能在旋轉的暗物質暈內部形成呢？

模擬旋轉的暗物質暈

為了找到答案，研究人員結合了分析計算和對旋轉暗物質暈的詳細數值模擬。

他們重點關注物理學家所謂的"托馬斯-費米近似" 體制，即暗物質暈的尺寸遠大于暗物質粒子的典型量子波長（德布羅意波長）。他們的模擬始于具有少量角動量的超輕暗物質構成的球形暈，從而產生了一種溫和的宇宙級自轉。

隨后，研究團隊引入了隨機初始條件，并讓系統根據格羅斯-皮塔耶夫斯基方程進行演化，該方程自然地包含了引力以及暗物質粒子間的排斥相互作用。

僅在幾個動力學時標（物質對引力做出響應所需的時間）內，暗物質暈就經歷了一場迷人的轉變。它形成了一個旋轉的孤子 —— 一個像固體一樣旋轉的、致密且穩定的核心。

這種旋轉并非源于整個波函數的簡單量子力學自旋，而是由貫穿暗物質暈的渦旋線網絡所產生。
這些渦旋線 —— 相當于宇宙中的漩渦 —— 與暗物質暈的總自轉方向對齊。在赤道面上，它們排列成規則的晶格結構，從而產生了平滑的、剛體般的旋轉。

整體結構類似于一個沿旋轉軸方向壓扁的扁球體，并且只要旋轉能量保持小于引力能和自相互作用能，該結構就能保持動態穩定。

有趣的是，模擬顯示這些渦旋可以在暗物質暈內部充當"量子腳手架"，研究人員甚至認為渦旋線可能連接相鄰的暗物質暈。研究作者指出："這些渦旋線可能進一步在暈之間延伸，形成旋轉的宇宙纖維狀結構的骨架。"

如果這是真的會怎樣？

如果暗物質確實表現為一種充滿量子化渦旋的超流體，那它可能會給宇宙學和粒子物理學帶來革命性變化。這樣的模型能自然地解釋星系為何能平穩旋轉而無需存在密集的中心尖峰，同時也可能預測出獨特的引力特征。

這些發現還在量子物理學和宇宙學之間架起了一座意想不到的橋梁。例如，在實驗室玻色-愛因斯坦凝聚實驗中描述冷卻至接近絕對零度的冷原子的方程，同樣可能適用于塑造數十億光年之外星系的不可見物質。

然而，這僅僅是個開始。目前的工作主要集中于簡化的旋轉暗物質暈，并依賴于非相對論性模擬。研究人員現在計劃將分析擴展到完全三維的系統（在那里渦旋線會變成渦旋環），并探索這些結構如何相互作用和演化。

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