從地球質量大小到超級星系團質量大小 科學家全尺度模擬暗物質暈...

2020-11-24 光明時政

　　9月3日凌晨出版的科學期刊《自然》發表了一項由我國科學家領銜的國際研究團隊的理論發現：科學家們利用中國和歐洲的超級計算機，採用一項全新的多重放大模擬技術，在當前標準宇宙學模型下，首次模擬出從最小的類似地球質量大小，到具有最大質量的超級星系團的暗暈內部結構的清晰圖像，跨越了20個數量級。

　　研究認為，宇宙中物質成分的約85%是暗物質。這些暗物質在引力作用下塌縮成團，被稱為暗暈。暗物質雖然無法被觀測到，但暗暈卻是孕育光明世界的「搖籃」——普通物質的氣體通過冷卻、聚集於暗暈中心，從而形成璀璨的恆星，星系以及整個我們所能觀測到的光明的世界。

　　宇宙中最大質量的暗暈是包含數百個亮星系的巨型星系團，其質量大約是太陽的百萬億倍；最小的暗暈質量可能和地球相當。因為恆星和星系只能在比太陽重百萬倍的暗暈裡形成，因此科學家們對這類暗暈研究得比較多，但對數量極多的、比這一質量小的暗暈，因為它們在整個宇宙演化歷史裡一直保持「黑暗」，就知之甚少。

　　「我們只能依賴超級計算機通過模擬宇宙的演化來研究這些黑暗的超微暗暈。」合作者之一、中國科學院國家天文臺研究員高亮說，「為了在整個宇宙的背景框架下研究只有太陽系質量大小暗暈的內部結構，需要開發一種全新的技術。」來自中國、德國、英國和美國的國際研究團隊耗時5年，開發、測試模擬程序，並運行了一系列超級放大宇宙模擬，質量放大倍數跨越30個數量級，即一百萬億億億倍。合作者之一、英國杜翰大學（Durham）的共同作者卡洛斯•弗蘭克（Carlos Frenk）教授說：「在宇宙中一個典型區域進行的這一超級放大模擬，需要利用八個『放大鏡』接力去放大，其放大程度相當於在月球表面圖片中找到一隻跳蚤。如何逐次去配置每一個新的『放大鏡』，以使新獲得的圖像和原來的一樣精確清晰？這對我們模擬原初條件的精度、程序的精確度和可靠度提出了巨大挑戰。這一挑戰是我們整個領域都從未遇到過的，也是我們從業以來所遇到的最艱難的一次。」

　　這些超級放大的模擬讓科學家們有了新的發現。研究的領導者、中國科學院國家天文臺研究員王傑說：「人們一直猜測那些小的暗暈應該和我們熟悉的超大暗暈內部結構不一樣，但令人驚嘆的是我們發現所有質量的暗暈竟然均具有極為相似的內部結構——中心緻密，往外逐漸稀疏，而大量的更小的暗物質團塊在其相對較外的空間環繞。如果不知道比例尺，在圖像上幾乎很難區分一個巨大的星系團暗暈和一個只有地球質量大小的超微暗暈。」

　　這些新發現或將引導天文學家們用引力透鏡、動力學和伽瑪輻射爆等工具去探測小質量暗暈。例如，根據目前的一些理論推測，大量的暗物質粒子會在緻密的暗暈中心相互碰撞，從而湮滅產生伽馬輻射爆。「我們的結果預測很大一部分輻射來自於那些因為太小而不能形成恆星的超微暗暈。」合作者之一、德國馬普天體物理所的合作者西蒙•懷特教授（Simon White）說，「未來的伽瑪射線觀測極可能捕捉到這些輻射信號，從而讓我們一窺這些宇宙中的『超級小矮人』的『真容』。這將幫助我們驗證關於暗物質本質的假設——可能暗物質可能並不是我們想像的完全是黑暗的。」

　　（光明日報全媒體記者 齊芳）

[ 責編：張悅鑫 ]

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