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上海交大沈俊太团队研究太阳邻域暗物质速度分布及其对暗物质探测实验的影响获进展
近日，上海交通大学物理与天文学院沈俊太教授团组利用我国LAMOST望远镜观测的K型巨星，探究了银河系并合历史遗留的暗物质速度子结构在太阳邻域的贡献，并对上海交大主导的暗物质探测实验PandaX-4T实验结果的探测排除极限进行了一定的修正。这一成果以“Deciphering the Kinematic Substructure of Local Dark Matter with LAMOST K Giants”为题发表在国际天文期刊《天体物理期刊》（The Astrophysical Journal）上。
暗物质是当今物理学最前沿的研究方向之一。暗物质占据宇宙中总质量的27%，约是可见物质的5倍，它对宇宙的大尺度结构形成、星系的形成和演化具有重要作用。虽然天文学上有很多暗物质存在的观测证据，如星系的旋转曲线、强引力透镜等，但人们还不了解它的本质，需要通过暗物质直接探测实验去证实它的存在，进而测量暗物质粒子的质量等性质。
近几十年来，国内外有众多暗物质直接探测实验在如火如荼地展开，其中一大类是通过暗物质粒子和探测靶的碰撞反冲来探测的，如上海交大牵头的PandaX实验团队、清华大学牵头的CDEX合作组等。而地球附近暗物质的密度和速度分布是诠释实验结果关键输入。对于质量为质子质量数倍的较轻暗物质粒子，由于探测器低能阈值的影响，暗物质的速度分布形状尤为关键。在同PandaX实验的刘江来教授深入讨论后，沈俊太教授决定利用最新的观测数据对太阳邻域暗物质密度和速度分布进行独立限制。
绝大多数探测实验假设银河系的暗物质晕达到了平衡态，太阳邻域暗物质粒子的速度服从各向同性的麦克斯韦-玻尔兹曼分布，也就是标准暗晕模型。然而，银河系的早期主并合事件——GES卫星星系并合——具有高度径向化的轨道，其贡献的暗物质虽在空间上已混合均匀，但在速度分布上遗留下了高度径向化的“运动学子结构”。而数值模拟研究表明，从最早期的并合事件吸积的暗物质晕，经过长时间的混合，达到了各向同性的稳态，符合标准暗晕模型，速度分布与贫金属的晕星相同（如图1红线）；而从稍晚期并合事件吸积的暗物质，则会像GES并合事件一样遗留运动学暗晕子结构(substructure)，其速度分布则可以用中等金属丰度的晕星来示踪（如图1蓝线）。
图1:金属丰度和速度相空间的高斯混合模型分解。绿色、红色、蓝色分别对应银盘（disk）、各向同性暗晕（halo）与暗晕运动学子结构（subs）成分。
得益于大样本巡天数据的帮助，沈俊太教授团组从我国LAMOST望远镜第八次数据释放(DR8)和欧洲Gaia卫星第三次数据释放(DR3)的交叉样本中，选取了K型巨星来研究太阳邻域暗物质的速度分布。前者有精确的金属丰度和视向速度测量，后者提供了高精度的恒星自行速度。在金属丰度和速度相空间中，团组利用高斯混合模型提取了各向同性晕(Halo)和运动学子结构(Substructure)的速度分布及相对占比（见图1）。在对不同空间和角动量判据的子样本进行分析和比较后，研究发现晕星中运动学子结构成分的相对占比和速度分布几乎没有变化，因此可以将结论更严格地内推到太阳邻域（见图2）。
图2:运动学子结构Substructure相对占比随不同样本高度（左图）和半径（右图）的变化。红色点为采取额外角动量限制的样本结果。
进一步地，该研究利用星系的金属丰度—恒星质量、恒星质量—暗晕质量关系，将银晕恒星中的子结构相对占比（～85%）转化为了太阳邻域暗物质中的子结构相对占比（～25%）。结合从晕星得到的暗物质各成分的速度分布，进而得到了太阳邻域暗物质的日心视向速度分布（如图3左图）。这一修正后的速度分布显著偏离了通常假设的标准暗晕模型，对暗物质直接探测实验中的最小散射速度曲线、散射截面-暗物质粒子质量曲线(排除曲线)以及年度调制效应有重要的影响。团组将研究结果应用到PandaX-4T的实验结果解释中，发现低质量端修正后的速度分布给出的排除极限变弱，在5倍质子质量附近变化约一个数量级，而在高质量端有更强的排除极限（如图3右图）。
图3:左图：修正后的太阳邻域暗物质日心视向速度分布。蓝线和红线分别为暗物质速度子结构和各向同性成分的贡献，黑色实线为太阳邻域总的暗物质速度分布，虚线为标准暗晕模型下的速度分布。右图：修正后的暗物质速度分布在PandaX-4T实验中的排除曲线。
沈俊太教授指出，“这是上海交通大学天文和粒子物理研究方向的一个非常重要的合作成果。在前人的工作中，大多默认太阳邻域暗物质的速度服从麦克斯韦-玻尔兹曼分布，而近些年来对银河系早期主并合事件的研究表明，真实的速度分布会一定程度偏离标准暗晕模型，这对暗物质直接探测实验中的年度调制效应和排除曲线有一定的影响，从而影响对实验结果的解读。”未来，团组将通过数值模拟来研究并合事件的轨道参数、星系质量等性质对太阳邻域暗物质密度和速度分布的影响，为暗物质探测实验的解读提供更多的帮助和指导。
上海交通大学博士生朱海和博士后郭锐为共同第一作者，沈俊太教授为通讯作者，合作者为上海交通大学刘江来教授、国家天文台刘超研究员、薛香香研究员、张岚副研究员和清华大学毛淑德教授。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发基金、中国博士后基金、教育部111计划的资助。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad6b17/