不同的暗物质，能留下相似的小星系吗？

在矮星系里能测到什么

矮星系里的恒星加起来，少的只有一百个太阳那么重，多的可达十亿个太阳。它们泡在一团重得多、看不见的暗物质里，这团暗物质叫作晕。暗物质本身看不到，能看到的是它的引力：轨道内侧的质量越多，气体和恒星绕得越快。把离中心不同距离处的转速一一量出来，就得到转动曲线，它告诉我们每个半径以内一共有多少质量。

计算机模拟里，如果暗物质是“冷”的，也就是粒子跑得慢、只受引力，晕的密度会一路升高，直到最中心。这种越往里越陡的中心叫尖峰。可是很多富含气体的小星系转起来，中心更像一块密度差不多不变的区域，天文学家叫它核心。Bullock 与 Boylan-Kolchin 在2017年的综述里画了两个外围转速约每秒40公里的星系：按尖峰预测，转速在中心附近很快爬升；实测的转速却爬得很慢。Bullock 与 Boylan-Kolchin 2017，第2.2节

并不是每个矮星系都有核心，最里面几百秒差距也很难量准。一秒差距约等于3.3光年。即便如此，差距大到让人开始怀疑：会不会是暗物质本身和我们想的不一样？

让中心变稀的四种办法

拿一个一百亿倍太阳质量的晕，看离中心150秒差距处，也就是大约500光年远的地方。按最简单的冷暗物质，那里每立方秒差距大约有四分之一个太阳质量的暗物质。下表把它和另外几种想法放在一起，其中三种会让中心变稀，一种主要是减少小晕。数字来自配套实验所用的已发表公式，每种想法各取一组参数。

碰撞。 如果暗物质粒子在一百亿年里互相撞上几次，热量就会从外层较热的地方流进较冷的中心。中心鼓成一个温度处处相同的球，密度就不再往上升。碰撞强弱用“每克暗物质对应多大的靶面积”来衡量，表里取每克两平方厘米，差不多是每克摊到一个指尖那么大。Kaplinghat、Tulin 与 Yu 2016

波动。 如果暗物质粒子轻得出奇，它的量子波长能有一千秒差距左右。中心会沉淀出一团驻定的波，叫孤立子。粒子越重，这团波越小。Schive 等 2014

气体。 普通物质也能让冷暗物质变稀。恒星一阵一阵地形成，超新星把中心的气体吹出去，过一阵气体又落回来。中心的引力就这样一涨一落，暗物质的轨道一次次被往外推。Read 等人的模拟发现，只要恒星形成持续得够久，总会出现一个和恒星分布差不多大的核心。Read 等 2016

温暗物质和前三种不一样。它的粒子在早期宇宙里跑得快，把最小的起伏抹平了，于是小晕少了，形成的晕也没那么紧。它挖不出一个大的等密度核心。Bullock 与 Boylan-Kolchin 2017，第3.2节

三种完全不同的原因，让密度落在每立方秒差距0.04到0.15个太阳质量，而原封不动的尖峰是0.23。换一组参数，三者还能靠得更近。只凭一条转动曲线，分不出是哪一种。

分开它们的地方

数小星系。 温暗物质和模糊暗物质会让小晕变少；碰撞和气体反馈几乎不改变晕的数目。2021年，Nadler 等人把两次巡天找到的银河系卫星星系和模型预测相比，在95%置信度下得出：温暗物质粒子要重于6.5 keV，模糊暗物质粒子要重于约十的负21次方电子伏特的三倍。这比常被用来解释矮星系核心的那个粒子重大约三十倍，而模糊暗物质粒子越重，孤立子越小。Nadler 等 2021

小晕和大晕。 按碰撞的图像，晕越大，粒子越快也越多，核心就越大：在配套实验的模型里，从十亿倍太阳质量的晕约0.2千秒差距，长到一千亿倍太阳质量时将近2千秒差距。孤立子正好相反，晕越重，它越小。气体反馈看的是恒星：得有足够多的恒星形成才行。Bullock 与 Boylan-Kolchin 汇总的模拟发现，恒星质量低于晕质量的万分之一左右时，反馈几乎没有作用。如果只有气体在起作用，最暗的矮星系应该还留着尖峰。Bullock 与 Boylan-Kolchin 2017，第3.1节

星系团。 能让矮星系中心变稀的碰撞，也会让星系团的中心变稀，那里的粒子要快一百倍。实测的星系团中心够密，排除了强度恒定、超过每克约半平方厘米的碰撞。要让碰撞模型对矮星系管用，碰撞就得在粒子跑得快时变弱。Bullock 与 Boylan-Kolchin 2017，第3.2.2节 这种随速度变弱的碰撞怎样从粒子模型里来，可以看 Tulin 与 Yu 的综述。Tulin 与 Yu 2018

已经清楚的和还在争论的

一个有核心的矮星系，认不出暗物质是哪一种。真正能分开它们的是一整群星系：小星系有多少，核心怎样随晕的质量变化，最暗的星系长什么样。卫星星系的计数已经把温暗物质和模糊暗物质在这些尺度上逼得很接近冷暗物质。气体反馈最小能在多小的星系里造出核心，各家模拟还没有一致。观测到的核心是不是都来自气体，还是有一部分需要新的暗物质物理，目前仍是开放问题。

想一步步推下去，可以从尖峰和核心怎样改变转动曲线开始。