見過「暗暈」嗎？宇宙「超級小矮人」現身

2020-09-04 中國科學報

作者 | 丁佳

宇宙中約85%的物質成分是暗物質，其物質屬性和組成與人類世界的普通物質截然不同。

這些暗物質受引力塌縮，形成的結構體則被稱為暗物質暈（簡稱暗暈）。

9月2日，《自然》發布了中科院國家天文臺研究員王傑領銜的國際團隊的重要發現。

他們利用中國和歐洲的超級計算機，採用全新的多重放大模擬技術，在當前標準宇宙學模型下，首次獲得了宇宙中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（跨越20個數量級）的暗暈內部結構清晰圖像。

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，它們的屬性被天文學家廣泛研究。

但那些比這一質量小的暗暈，卻在整個宇宙演化史中一直保持「黑暗」。

因此，雖然它們數量極多，但人類對其知之甚少。按目前流行的模型推測，宇宙中最小的暗暈質量可能和地球相當。

藝術家對宇宙中具有不同質量的暗暈的想像圖。喻京川繪製

「因為它們的黑暗，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。」

中科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大小暗暈的內部結構，我們需要開發一種全新的技術。」

因此，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，並在中國廣州天河2、英國杜倫大學COSMA以及德國慕尼黑的超級計算機上運行了一系列超級放大宇宙模擬，最終使得質量放大倍數跨越了30個數量級，即一百萬億億億倍。

論文共同作者、杜倫大學教授Carlos Frenk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8個『放大鏡』來接力，其難度相當於在一張月球表面的圖片上找到一隻跳蚤。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，使該團隊得以可靠並詳盡地研究從地球到超級星系團質量暗暈的形成、演化以及內部結構。

這些小的暗暈到底長什麼樣？「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。」

王傑說，「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，而大量更小的暗物質團塊在其相對靠外的空間環繞。」

也就是說，如果不知道比例尺，人們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。

這些新獲得的對小質量暗暈內部結構的認識，可以讓天文學家利用各種工具去探測它們，比如引力透鏡、動力學和伽馬輻射暴的監測。

根據目前的一些理論推測，大量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暴。

「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。」

德國馬普天體物理所教授Simon White說，「未來的伽馬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『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——暗物質可能並不是我們想像的那樣『完全』是黑暗的。」

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2642-9

《中國科學報》 （2020-09-04 第1版 要聞）

編輯 | 趙路

排版 | 郭剛

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