摘要
物质是我们所说的构成宇宙的所有“物质”。普通物质，如原子，只占宇宙中所有物质的15%左右。另外85%被称为“暗物质”——它是看不见的，但重要到足以把我们的星系——银河系维系在一起，所以它不会分裂。什么是暗物质?几十年来，天文学家一直在思考各种想法，并试图通过观测来验证这些想法。一种名为“冷暗物质(CDM)”的流行理论在解释整个宇宙中的暗物质方面取得了广泛的成功，但它仍然需要在我们自己的星系中进行测试。在这项研究中，我们展示了计算机模拟如何帮助我们使用星系中的恒星流来确定CDM是否是解释暗物质的正确理论。
1.宇宙中什么最重要
自20世纪20年代初以来，天文学家已经知道，我们的银河系主要是由引力相互吸引的恒星组成的。当你通过照片或望远镜观察星系时，你看到的是这些恒星发出的光。在20世纪70年代，当天文学家仔细研究银河系中恒星的运动时，他们意识到恒星运动得太快了。事实上，这些恒星移动得足够快，以至于它们应该在很久以前就逃离了我们的星系。这意味着，如果银河系只是由我们能看到的恒星组成，那么它现在应该已经分裂了!
因此，银河系一定包含一些我们看不见的东西，但却重要到足以容纳星系中的恒星。这种看不见的物质现在被称为暗物质。几十年来，暗物质一直是科学家们的一个谜。为了理解暗物质为何如此令人费解，让我们将其与我们所了解的“普通”物质进行比较。我们每天看到和触摸到的一切都是由元素周期表中的元素原子构成的。即使是我们看到的恒星也是由氢、氦和少量其他元素组成的。从我们的日常生活中，我们知道普通物质要么自身发光(如恒星、灯泡等)，要么反射光(如墙壁、树木等)。普通物质也能阻挡光线投射阴影。不那么普通的暗物质不会做这些。它不会发光、反射或阻挡任何光线(所以它实际上不是“黑暗的”，而是“看不见的”)。 The only way to tell that there is dark matter is by its gravity. It is this gravity that is holding the stars in the Milky Way, so that they do not escape out into the universe.
也许最大的困惑是，我们可以忽略的暗物质并不只是零星的。在过去30年左右的时间里，科学观测表明，整个宇宙都充满了暗物质。事实上，宇宙中只有15%的物质是普通物质，另外85%是暗物质[1］．所以，宇宙中充满了一种我们不了解的物质!暗物质是当今天文学中最大的研究课题之一。“什么是暗物质?”可能都能得诺贝尔奖了。
2.探索暗物质
科学方法的第一步是提出一个假设，或者只是对某事如何/为什么发生的有根据的猜测或预测。预测必须通过实验或观察来检验，以确定猜测是对是错。例如，一个著名的假设是，一个物体落到地面的速度与该物体的质量无关。这个假设预测，如果你在真空中同时从同一高度扔下一个锤子和一根羽毛(没有空气阻力)，那么它们应该同时落到地面。为了验证这一点，一名宇航员站在月球上扔下了一把锤子和一根羽毛1(没有空气)，他证明了锤子和羽毛真的同时击中了地面。这是假设成立的证据。
尽管天文学家还不清楚暗物质到底是什么，但多年来他们已经有了很多想法。一种流行的理论叫做冷暗物质(CDM)说它“冷”，并不是因为你摸它的时候会觉得冷，而是说“冷”意味着暗物质是由运动不快的粒子组成的。CDM理论有一个假设，预测星系群倾向于将自己排列成有组织的结构。在花了数年时间观察星系后，天文学家发现星系群的排列方式几乎与CDM理论中的假设预测的完全相同!
3.差不多了，但不完美
对于CDM关于星系群如何排列的描述，有非常有力的证据，但对于每个单独星系的内部却没有太多的证据。让我们来看看像银河系这样的星系内部是什么。2］．银河系中的恒星排列在一个扁平的圆盘上，呈螺旋状。我们能看到的这些恒星是银河系的可见部分。它们位于一个更大的由暗物质组成的晕的中间，正是暗物质提供了引力，将恒星聚集在中间(图1)．
- 图1 -银河系的组成部分(未按比例绘制)。
- 天文学家非常确定，银河系的外部有一个暗物质晕，中心有一个由恒星组成的螺旋盘。冷暗物质理论中的一个假设预测银河系也有暗物质亚晕，显示为蓝点，但我们不知道这个想法是否正确。为了证实这一理论，我们需要一种方法来确定是否存在亚晕。
CDM理论中的一个假设预测，我们的恒星盘，银河系，在光晕中并不孤单。相反，我们的星系被许多被称为亚晕的暗物质团块所包围。亚晕就像嵌套在晕内部的迷你版晕。尽管天文学家非常确定银河系在一个暗物质晕中，但他们不确定这个晕中是否包含亚晕。如果我们发现银河系确实有亚晕，那么我们就有了一个支持CDM理论的重要证据。否则，我们可能需要一个不同的理论来解释暗物质。
4.扭转局势
我们如何寻找由看不见的物质构成的亚晕?尽管我们不能直接看到暗物质，但我们可以看到它是如何影响恒星等可见物质的。恒星喜欢和它们的邻居聚集在一起，因为它们相互有引力——它们相互吸引。然而,星团它们不会永远存在，而且经常会被银河系的恒星撕裂潮汐力．
银河系的潮汐力类似于月球对地球的潮汐力。地球上有潮汐的原因是月球和地球之间的引力在地球上各处都不一样。离月球最近的城市比离月球最远的城市对月球的吸引力更大(图2)．地球感觉到这种引力的差异，就好像地球从一端被“拉伸”到了另一端。这种拉伸力，或潮汐力，在海洋中产生潮汐。
- 图2 -潮汐力的例子
- 月球在地球两侧的引力是不同的。在图中(不是按比例绘制的)，休斯顿离月球更近，所以它对月球的吸引力比曼谷对月球的吸引力更强(上图)。在地球上，这种引力的差异就好像地球从休斯顿延伸到曼谷(下图)。
星团上的潮汐力也是如此。银河系中的星团总是被吸引向银河系的中心，但星团两侧的引力是不同的。
星系对星团的拉伸就像月球对地球的拉伸一样，但有一个很大的不同。地球基本上是一个固体，所以月球的潮汐力只会把它拉伸一点点，就像橡皮筋一样。然而，星团是一群恒星，星系的潮汐力可以很容易地把这群恒星撕裂!当恒星从它们的星团中被拉出来时，它们形成了一个长长的恒星“流”——恒星一个接一个地排列——包裹着星系(图3)．这个过程有时被称为“意大利面化”。将星团撕裂成恒星流的过程通常需要数十亿年，而恒星流可以长到数十万光年。一光年是光在一年内可以传播的距离，大约是9.5万亿公里!
- 图3 -在银河系的潮汐力作用下恒星流是如何形成的
- 与月球和地球相似，银河系对星团的引力在星团的各个地方都不一样。这个数字与图2．绿色箭头代表朝向银河系中心的引力差异，红色箭头代表星团感受到的拉伸力。当星团被拉伸时，恒星被一个接一个地拉离星团，形成一条环绕星系的流。正是拉伸力导致了流的形成，所以流从中间的星团中“生长”出来。
5.溪流中的缝隙
明亮的恒星流如何帮助我们找到银河系中的暗物质亚晕?当亚晕靠近恒星流时，非常靠近的恒星可能会被亚晕撞出恒星流。这在恒星流中产生了一个“缺口”(图4)．想象一下在繁忙的高速公路上行驶的汽车。当汽车驶出出口时，交通就会出现一个缺口。类似地，当一颗恒星逃离恒星流时，恒星流会有一个间隙。
- 图4 -在星流中如何形成缝隙。
- 在遇到亚晕之前，星流是由一颗接着一颗排列的恒星组成的，类似于交通中的汽车。当亚晕遇到恒星流时，亚晕会从恒星流中撞出一些恒星。接触点附近的恒星消失了，这就在流中形成了一个缺口。
所以，如果银河系中有亚晕，那么它们就会遇到恒星流，而恒星流中会有很多空隙。寻找恒星流中的空隙可以帮助我们发现我们的星系中是否有亚晕，这有助于我们弄清楚CDM理论是否正确。然而，恒星流是复杂的。他们对星系中的其他事物非常敏感。事实上，即使一个星系不包含亚晕，一个恒星流仍然可能有间隙。这意味着，当我们在现实中观察恒星流并发现其中的间隙时，这些间隙并不总是由亚晕引起的。
在寻找恒星流中的间隙时，一个巨大的挑战是判断观察到的间隙是否实际上是由亚晕引起的。这就是需要计算机模拟的地方。在模拟游戏中，我们可以自由地以自己喜欢的方式“构建”一个星系。回想一下图1我们知道银河系至少有一个晕和一个盘，但我们不知道是否有亚晕。我们可以模拟两种星流:一个星系中的星流有亚光晕，另一个星系中的星流与第一个星系相同，只是它没有亚光晕。然后，我们可以比较这两个恒星流之间的差异，我们知道这种差异一定是由亚晕引起的，因为模拟中的其他一切都是一样的。
图5显示了两个模拟的恒星流。这些恒星流最初非常稀薄，像一条长缎带一样包裹着星系。在这张图中，星流被拉直并放大，这样我们就能看到它们发生了什么。流A形成于一个只有日晕的星系，流B形成于一个既有日晕又有亚日晕的星系。为了让事情变得简单，模拟中的两个星系都没有包含圆盘。
虽然A流没有遇到任何亚晕，但它在中间仍然有间隙(红色箭头在图5)．另一方面，流B遇到了许多亚晕，它的间隙(绿色箭头在图5)与流a中的间隙有很大的不同，这告诉我们，亚晕引起的间隙可以出现在流的任何地方，并且大小不同。这些计算机模拟可以帮助我们观察现实世界中的恒星流，并确定流中的哪些间隙是由亚晕引起的，哪些是由其他效应引起的。
6.未来
利用恒星流中的间隙来研究暗物质的研究仍处于非常早期的阶段。A流和B流所在的星系图5只包括日晕和亚日晕，但不包括星盘。如果我们把圆盘也包括在内，那是否也会在恒星流中造成间隙呢?此外，光晕用于流图5与银河系的光晕大致相同，但不完全相同。如果恒星流形成于一个更类似于银河系的光晕内，它们会有更多的空隙吗?这些问题的答案需要更多的计算机模拟。
最终，我们必须在现实中寻找观测到的恒星流的间隙，而不仅仅是在计算机模拟中。为了让我们对CDM理论有信心，我们需要观测尽可能多的恒星流的间隙。
到目前为止，天文学家已经在银河系中发现了大约10-20个恒星流，这可能是检验CDM理论的好方法。3.］．幸运的是，在不久的将来，他们可能会发现更多的恒星流，使我们更接近于了解暗物质。
术语表
假设：↑预测:做出预测的有根据的猜测这个预测必须检验一下，看看猜测是对是错。
冷暗物质(CDM)：↑暗物质是由缓慢移动的粒子组成的理论。今天的许多研究都集中在检验这一理论提出的假设上。
星团：↑一群由自身引力捆绑在一起的紧密的恒星，类似于一个非常小的星系。银河系中有许多星团。
潮汐力：↑引力:行星或其他物质体所感受到的拉伸力，因为物体不同侧面的引力不同
利益冲突声明
作者声明，这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。
原文
↑颜伟伟，卡尔伯格，r.g.， 2014。利用n体潮汐流的间隙来探测失踪的卫星。12,54。j . 788:181。doi: 10.1088 / 0004 - 637 x / 788/2/181
参考文献
[1]↑普朗克合作，Ade, p.a.r.， Aghanim, N.， Armitage-Caplan, C.， Arnaud, M.， Ashdown, M.等。2014。普朗克2013年的结果。十六。宇宙学参数。阿斯特朗。571: 12,54。系。0004 - 6361/201321591 doi: 10.1051 /
[２]↑宾尼，J.和梅里菲尔德，M. 1998。星系天文学。普林斯顿平装书。普林斯顿，新泽西州:普林斯顿大学出版社。
［３］↑格里尔梅尔，C. J. 2010。恒星碎片流:星系结构和形成的新探测器。《星系和它们的面具》，D. L. Block, K. C. Freeman和I. Puerari主编，247。纽约，纽约州:施普林格。
脚注
[1]↑http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/lunar/apollo_15_feather_drop.html