双成分自相互作用暗物质模型同时解释矮星系核心与强引力透镜之谜

暗物质是现代天文学中最重要、也最神秘的问题之一。虽然暗物质看不见、摸不着，但它通过引力深刻影响着星系的形成与演化。长期以来，科学家普遍采用“冷暗物质”模型来描述宇宙结构的形成。然而，随着观测精度的提升，一些小尺度现象开始显现出与这一经典模型并不完全一致的特征。

例如，在一些矮星系中，暗物质的分布显得异常“松散”，中心密度较低；而在强引力透镜观测中，天文学家却发现了一些极为致密的暗物质子结构，它们的紧凑程度甚至远超传统模型的预期。这两类现象长期并存，却难以用同一种物理机制加以解释。

近期，中国科学院紫金山天文台的一项新研究给出了一个颇具吸引力的答案：暗物质可能并非单一成分，而是由不同“质量”的粒子共同构成。

研究人员提出了一种“两成分自相互作用暗物质”模型。在这一设想中，暗物质至少包含较重和较轻两种粒子，它们之间不仅通过引力相互作用，还可以发生直接碰撞。正是这种额外的相互作用，引发了一种被称为“质量分离”的过程。

简单来说，随着时间推移，较重的暗物质粒子更容易向星系中心聚集，而较轻的粒子则倾向于向外扩散。这一过程类似于恒星团中“大质量恒星下沉、小质量恒星外移”的现象。

通过高分辨率数值模拟和精细的理论建模，研究团队发现，这种质量分离效应能够自然再现多种观测结果：在矮星系中，它可以形成中心密度较低的暗物质核心，与最新的星系聚集性观测相符；而在更复杂、致密的环境中，部分暗物质晕会逐渐变得更加紧凑，形成足以产生强引力透镜效应的高密度结构。更重要的是，该模型还能显著提升小尺度引力透镜的产生概率。质量分离会增加暗物质在关键区域内的聚集程度，使暗物质子结构更容易“放大”背景星系的光，从而缓解观测中发现的“小尺度引力透镜数量偏多”这一长期难题。

研究人员指出，这项工作表明，看似矛盾的多个小尺度宇宙学异常，或许都指向同一个结论：暗物质的内部性质比人们原先设想的更加丰富。

随着未来更高精度的天文巡天和引力透镜观测不断展开，科学家有望通过这些“宇宙放大镜”，进一步检验暗物质是否真的由多种成分构成。或许，在不远的将来，我们对暗物质的认识，将迎来一次关键性的转变。

该研究是紫金山天文台研究团队在双成分自相互作用暗物质方向上的第二项工作，相关成果近日发表于 Science Bulletin。在此前的一项研究中，研究团队系统分析了质量分离效应对矮星系核心密度分布多样性的影响，相关成果已发表在 Physical Review D。文章作者包括：杨大能，范一中，侯思媛，蔡岳霖。

中国科学院紫金山天文台是中国暗物质研究的重要机构之一，在暗物质间接探测领域承担了以悟空号为依托的国家研究任务，并长期开展天体物理与宇宙学相关研究，在暗物质、星系演化等领域具有重要影响。

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