不再神秘？中科院領銜國際團隊「放大」宇宙，首次看到暗物質高清圖

新智元報導

暗物質是宇宙中最神秘的物質，因為它看不見摸不著，但在最近發布在《自然》上的一篇研究中，科學家終於讓暗物質「顯形」了。

此項研究由中科院國家天文臺研究員王傑領銜的國際研究團隊發現，這是暗物質領域極為重要的突破。

早在很久以前，天文學家就推測，宇宙中存在看不見的暗物質，它們為星系能聚在一起提供了引力，並圍繞在星系外圍，形成暗物質暈（簡稱暗暈）。

這次研究得到了暗暈內部結構的清晰圖像。

突破口：想研究小暗暈只能通過模擬宇宙演化

宇宙中最大質量的暗暈是包含數百個亮星系的星系團，質量大約是太陽的百萬億倍。但因為恆星和星系只能在比太陽重百萬倍的暗暈裡形成，所以對於那些小暗暈來說，它們一直保持著「黑暗」。儘管它們數量極多，人類卻對其知之甚少。

根據目前流行暗物質屬性模型推測，宇宙中最小的暗暈質量可能和地球相當。

「要想研究小暗暈，只能在大型超級計算機中模擬宇宙的演化。」王傑教授說。

放大、放大、放大，就像在月球圖片上找跳騷！

我們都知道，如果把照片不斷放大，它就會越來越不清晰。

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，國際團隊利用中國和歐洲的超級計算機，通過開發一種全新的技術，運行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100萬億億億倍)。

完成這一超級放大模擬的機器，分別是中國天河2號：

英國COSMA：

和德國的Freya超級計算機：

這個過程歷時5年，終於，在當前標準宇宙學模型下，研究團隊獲得了暗暈的「模樣」。

這張照片展示了主模擬的一個側面，這個側面有超過20億光年。這兩幅插圖連續放大到了70萬光年的區域，而每一邊只有600光年。主圖像中最大的團塊對應著星系團，而第二次圖像中最小的團塊在與地球質量相似

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」接力去放大。其放大程度相當於在一張月球表面的圖片找到上面的一隻跳蚤。

如何逐次去配置每一個新的「放大鏡」，使新獲得的圖像和原來的一樣精確清晰，這就對模擬原初條件的精度和程序的精確度和可靠度提出巨大的挑戰。

「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」，研究人員說。

功臣之一：中國天河二號

這次研究所用到的「天河二號」是一個「超級武器」。

2017年，天河二號成功進行了3萬億粒子數中微子和暗物質的宇宙學N體數值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之後至今約137億年的漫長演化進程。當時，這是迄今為止世界上粒子數最多的N體數值模擬。

當年，全球超級計算機500強榜單在美國公布，天河二號超級計算機以每秒33．86千萬億次連續第六度稱雄。

所有質量的暗暈內部結構極為相似

王傑等研究人員發現，似乎所有暗暈的內部結構都大同小異——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。

所以，如果不知道比例尺，在圖像上根本區分不了一個巨大的星系團暗暈和一個只有地球質量大小的「小小暗暈」。

這個研究的突破性在於，知道了小質量暗暈的內部結構，以後天文學家們就方便用各種去探測它們了，比如引力透鏡，動力學和伽瑪輻射爆的監測。

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。

宇宙中約85%的物質成分是暗物質，其物質屬性與組成恆星、行星以及我們人類世界的普通物質截然不同。這些暗物質受引力影響而塌縮，形成的結構體被稱為暗暈。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、星系以及整個光明的世界。

了解宇宙未知的一面，一直是天文學家努力的方向。暗物質的面紗一經過揭開，我們就會順著這條路通向更遠的星辰大海。

據了解，實現暗物質研究重要突破的這一超級模擬，是在中國天河2、英國COSMA、德國Freya等超級計算機上完成，研究論文作者包括中、英、德、美四國7位科學家。

相關研究成果9月2日在線發表於《自然》雜誌上。

參考連結：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/caos-zio090120.php

https://tech.sina.com.cn/d/2020-09-03/doc-iivhuipp2253813.shtml

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1676778377384993011&wfr=spider&for=pc

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