天文系研究团队提出缓解“宇宙小尺度危机”的新暗物质演化模型

在超过百万光年的大尺度上，宇宙学标准模型（Lambda CDM model）预言的宇宙中物质分布情况已被精确的天文观测所证实。然而，在相对较小的星系尺度上，宇宙学标准模型关于宇宙中物质分布的预言却与相关的天文观测结果出现了偏离。这一偏离意味着已被大量精确天文观测结果所证实的宇宙学标准模型的有效性受到了强烈的挑战和质疑，这一问题因而被学界强调为：宇宙小尺度危机（The small-scale crisis）。

   近日，天文系李昌鸿副教授研究团队基于大反弹物质产生机制（Big bounce genesis），提出一类可以缓解“宇宙小尺度危机”的新暗物质演化模型。有别于已知两类经典演化通道，在新模型中，暗物质粒子在宇宙大反弹以后，直接冻结到平衡丰度，成为早期宇宙演化中的一个不变量标尺。进一步地，研究团队以该不变量标尺作为探针，首次系统性地研究了驱动宇宙诞生的量子场衰变过程，得到了全部3类（主导，从属，再主导）9种（Type-1 至 Type-9）可能的量子场衰变模式。通过运用最新的Lyman-alpha森林观测的天文观测数据对这九种模式进行限制，研究团队发现，Lyman-alpha森林观测的结果可以排除其中4种量子场衰变模式（Type-1 至 Type-4）， 而剩余5种模式则与目前天文观测相吻合。研究团队通过进一步地研究发现，这5种模式中，存在2种模式（Type-6 和Type-9）可以缓解“宇宙小尺度危机”（见图1）。这一成果在缓解“宇宙小尺度危机”的基础上，还为进一步研究早期宇宙演化，非平衡量子场论和暗物质粒子基本性质提供了新的思路和方法。

图1: 可以缓解“宇宙小尺度危机”的两种模式的参数空间

该项工作近日以云南大学为唯一单位发表于国际物理学重要期刊《Physical Review D》 (自然指数期刊)，论文题目为：Warm and cold dark matter in a bouncing universe，论文作者为天文系教师李昌鸿，论文链接：https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.102.123530。该项工作受到国家自然科学基金项目，云南省基础研究计划项目，云南省科技厅-云南大学双一流建设重大项目，云南省中青年学术技术带头人后备人才项目以及云南省青拔人才项目资助。