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在天文物理研究領域，有兩個長期困擾科學界的謎題——暗物質的溫度分布異常，以及太陽大氣層的極端溫度變化。中央大學太空科學與工程學系教授郝玲妮研究團隊近期提出創新的統計熱力學理論模式，成功解決了這兩個謎團，不僅為理解宇宙基本組成提供新視角，更為太空天氣預測和衛星通訊保護帶來重要突破，目前成果已發表於《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal）。

首先需要了解的是，我們所能看見和測量的物質，只占整個宇宙物質與能量的5％。暗物質占27％，暗能量則占68％。暗物質的特性是不與光及電磁波作用，因此無法被直接觀測到，但它會透過引力影響星系的運動。傳統的暗物質理論模式雖然可以正確預測密度隨距離的分布，但在溫度分布的預測上有明顯缺陷，理論預測暗物質溫度會隨著距離星系中心（galaxy clusters）增加而降低，但實際觀測證據顯示，暗物質的溫度分布呈現非單調性的特徵。

另一方面，太陽大氣的溫度分布同樣令人困惑。從光球層（photosphere）到日冕層（corona），溫度在短短幾千公里的距離內從5800度驟升至100萬度。現有的理論模式只能定性地解釋過渡區（transition region）及日冕層的溫度分布，無法完整描述這種急遽的溫度變化。

郝玲妮團隊的創新之處在於提出了基於玻爾茲曼－泊松理論（Boltzmann-Poisson theoretical approach）的新模型。這個理論將暗物質視為由無數具有質量的多體
組成的重力自生系統（self-gravity system），而太陽大氣則被視為在太陽重力場作用下的多粒子氣體或電漿系統。

研究團隊採用更為精確的規則化Kappa分布（regularized Kappa distributio, nRKD）來取代傳統的Kappa 速度分布（Kappa velocity distribution, RKD）。在一般的熱平衡系統中，粒子的速度分布遵循高斯函數或麥克斯韋分布（Maxwellian distribution），溫度呈現為常數。但在這個新的理論中，粒子或暗物質的速度分布是非熱平衡的廣義Kappa函數，這種分布已經在太陽噴發的帶電粒子中被人造衛星儀器多次觀測到。

研究發現，只有在高度非熱平衡狀態下，系統才能呈現出這種特殊的溫度分布。新模型不僅能夠複製納瓦羅－弗蘭克－懷特密度剖面（Navarro-Frenk-White density profile）來描述暗物質暈（DM halos）的基本特徵，還能產生非單調的溫度剖面。在太陽大氣方面，模型準確預測了從光球層到日冕層的溫度變化，特別是在狹窄區域內溫度急遽變化的現象。

這項研究對於實際應用的意義重大，因為太陽大氣活動會釋放大量高能輻射和帶電粒子，這些都會影響地球的電磁環境和衛星通訊。隨著我們對於太陽大氣的物理特性的了解，未來將可以更準確地預測太空天氣（space weather），也能為地球科技系統提供更好的保護。

新聞來源
太空系、物理系。（2025年3月5日）。神秘的宇宙暗物質及太陽大氣研究新曙光。國立中央大學新聞網。https://ncusec.ncu.edu.tw/news/headlines_content.php?H_ID=4419。