宇宙学家表示，暗物质可能比任何人想象的更奇怪，他们认为这种占宇宙质量 80% 以上的神秘物质可以与自身相互作用。
“我们生活在暗物质的海洋中，但我们对它可能是什么知之甚少，”加州大学河滨分校物理学和天文学助理教授 Flip Tanedo在一份声明中说。
使用已知物理学解释暗物质的每一次尝试都失败了，因此 Tanedo 和他的合作者正在开发可能更好地匹配观测结果的奇异模型。他们问：如果暗物质通过在比我们通常的三个维度更多的空间中运行的连续力与自身相互作用会怎样？这听起来很疯狂，但与传统的简单暗物质模型相比，他们的模型能够更好地解释小星系中恒星的行为。所以值得一试。
小星系，大问题
尽管宇宙学家不知道暗物质的身份，但他们确实知道它的一些特性。所有的观察都表明暗物质是由某种新的粒子组成的，以前物理学是未知的。该粒子充斥着每个星系，占其质量的 80% 以上。如果有的话，那个粒子一定不能与光发生太多的相互作用（否则我们现在就可以在天文观测中看到它了）。并且它不能与普通物质发生太多相互作用，如果有的话（否则我们会在粒子对撞机实验中看到它）。
将这些特性结合起来，宇宙学家就能够对宇宙中大型结构的演化进行复杂的计算机模拟。这些模拟通常与观察相符，但有一个有趣的警告。这张暗物质的简化图预测小星系的核心应该具有非常高的暗物质密度（宇宙学家称为“尖头”模型），但观察结果表明暗物质密度相对平坦，因此这些物质必须均匀分布在小星系中（称为“核心模型”）。
几十年来，这个“核心尖头”问题一直是暗物质研究的眼中钉。一个成功的暗物质模型必须能够解释大小星系的行为，以及所有其他暗物质观测。一种这样的模型被称为自相互作用暗物质，顾名思义，它预测暗物质偶尔会与自身相互作用，这意味着暗物质粒子有时会相互反弹甚至相互湮灭。这种自相互作用使暗物质密度高的区域变得平滑，将小星系的尖端变成核心。
问题的核心
问题解决了对吧？不完全是：自相互作用暗物质模型难以匹配其他观测，例如星系透镜效应（当来自大量物质的引力扭曲并放大来自其后方某些星系的光时）和早期宇宙中星系的生长。
然而，这些仍然表现不佳的模型是基于已知的物理相互作用，这些相互作用是通过自然的四种基本力之一发生的。电子通过电磁力相互作用。夸克通过强力相互作用。等等。但是，如果简单地将已知的物理学导出到暗物质领域是不够的，那么也许是时候看看全新的力量了。
Tanedo 和他的合作者试图做到这一点，并在 6 月 1 日发表在《高能物理学杂志》上的一篇论文中描述了他们的工作。他们的新模型极大地扩展了相互作用暗物质的可能模型，允许未知力量发挥作用。
“我过去两年研究计划的目标是将暗物质‘对话’的想法扩展到暗势力，”Tanedo 在声明中说。“在过去的十年里，物理学家开始意识到，除了暗物质之外，隐藏的暗力量可能会支配暗物质的相互作用。这些可能会完全改写人们应该如何寻找暗物质的规则。”
Tanedo 研究暗物质的方法涉及两个令人惊讶的特征。其一，该模型不是连接暗物质粒子的单一力，而是包含所有协同工作的无限范围的新力。二、模型需要一个额外的宇宙维度，所以一个四维空间。
在宇宙之外思考
在构建暗物质粒子如何相互作用的理论时，无限的力谱（每个力由具有不同质量的新粒子代表）提供了很大的灵活性。虽然在日常物理世界中没有与这种理论相对应的理论，但天体物理学家已经知道暗物质不一定遵循通常的规则。
在解释已知物理学的理论中，当两个粒子相互作用时，它们是通过交换一种携带力的粒子来实现的。例如，两个电子通过交换光子（电磁力的载体）相互反弹。但是这个新模型用交互的连续统一体或频谱取代了单一交互，所有这些都协同工作以实现交互。
“我的研究计划针对的是我们对粒子物理学所做的一个假设：粒子之间的相互作用可以通过更多粒子的交换得到很好的描述，”Tanedo 在声明中说。“虽然这对于普通物质来说是正确的，但没有理由假设暗物质也是如此。它们的相互作用可以用交换粒子的连续体来描述，而不仅仅是交换单一类型的力粒子。”
至于增加一个额外的维度，Tanedo 的团队借鉴了其他高能粒子物理学理论中使用的技巧。通过一个显着但尚未完全证明的概念，称为 AdS/CFT 对应关系（“AdS”代表反德西特，它是一种时空，“CFT”代表共形场理论，它是一类量子理论），一些在普通 3D 空间中极难解决的物理问题，当扩展到 4 维空间时变得更容易解决。
通过使用这个数学技巧，Tanedo 和他的合作者能够解决暗物质之间的力如何相互作用。然后他们可以将他们的结果转化为空间的三个维度，并预测这些力将如何在真实宇宙中运作。他们发现这些力的表现与我们习惯的自然力大不相同。
“对于我在物理入门课程中教授的引力或电力，当你将两个粒子之间的距离加倍时，你会将力减少四倍，”Tanedo 说。“另一方面，连续力最多减少八倍。”
这种对暗物质粒子之间自相互作用的修改使研究人员能够建立与对小星系的观察相匹配的模拟，为它们提供类似“核心”的暗物质轮廓，而不是传统暗物质模型中看到的“尖点”。这些结果与其他自相互作用暗物质模型相似，这些模型也可能重现类核中心，但该理论来自一个全新的理论方向，可能会产生其他观测结果。
所以有很多工作要做。宇宙学家使用暗物质来解释宇宙中各种不同尺度的许多不同观察结果。进一步的工作将揭示这种奇异的理论是否与我们所看到的宇宙相匹配。
