中央大學團隊發表熱力學新理論模式 助研究暗物質及太陽大氣

這個研究工作已於2025年2月的天文物理期刊 (The Astrophysical Journal)發表。

研究團隊說明，太陽大氣所噴發出的大量高能輻射及帶電粒子會干擾地球電磁環境並影響衞星通訊，太陽研究對日地物理及太空天氣有重要應用；而暗物質研究將有助於人類對宇宙形成及基本物質的瞭解。

中央大學介紹，在天文物理的研究中有兩個令人矚目的主題：星系間的暗物質及太陽大氣的密度及溫度的空間分佈。在宇宙總物質與能量中，一般可被觀測到的物質僅佔5％，暗物質佔27％，而暗能量則佔68％。

由於暗物質不與光及電磁波作用，無法被觀測，其組成成份目前並無定論，但暗物質可透過引力影響星系的運動。現有的暗物質理論模式雖可以給予正確的密度隨距離的分佈，但溫度分佈定性上並不正確。

目前的暗物質理論模式中，其溫度隨着距離銀河團中心的增加而減少，然間接證據顯示，暗物質溫度隨距離分佈是非單調性的。而太陽大氣的溫度隨高度的變化，目前的理論模式也只能定性的解釋過渡區及日冕層的溫度分佈，自光球層的5800度在幾千公里內增加至日冕的一百萬度長久以來一直無適當的理論模式可以解釋。

郝玲妮研究團隊提出的統計熱力學理論模式，除可解釋暗物質的溫度隨距離銀河團中心先增加後減少的空間分佈，並可成功建構太陽大氣由光球層、色球層、過渡區至日冕層的溫度分佈，尤其是由光球層的5800度快速降至色球層的最低點並於過渡區快速增至日冕層的一百萬度。

新的理論模式中，暗物質由無數多具有質量的多體組成的重力自生（self-gravity）系統，而太陽的大氣則是多粒子的氣體或電漿，受到太陽重力場作用。這兩種多體系統的組成粒子或暗物質具有各種不同的速度及動能。

研究團隊解釋，在一般熱平衡系統中，粒子的速度分佈爲高斯函數或稱爲Maxwellian distribution，其對應溫度是常數，不具空間變化；在新理論中，粒子或暗物質的速度分佈是非熱平衡的廣義Kappa函數，在太陽所噴發的帶電粒子中普遍被人造衛星上的儀器所觀測到。

此研究也顯示，只有在極端的非熱平衡系統中，方能產生暗物質及太陽大氣的特殊溫度分佈，是過去使用的速度分佈函數所無法解釋的物理現象。