小質量暗暈長啥樣？八個「放大鏡」接力「拍」出清晰圖像

2020-09-05 光明科普

圖一：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）

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（1後面30個0）。也即一百萬億億億倍。

圖二：超級放大宇宙模擬裡暗物質密度分布示意圖：利用多重放大技術，得以在20個數量級上，解析不同質量暗暈的內部結構。圖中展示的是其中的兩次放大過程。

「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一張月球表面的圖片找到上面的一隻跳蚤。想想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就對我們模擬原初條件的精度和程序的精確度和可靠度提出了巨大的挑戰。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。」來自Durham大學的共同作者Carlos Frenk教授說到。

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。

「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。」王傑研究員說到：「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。」

這些新獲得的對小質量暗暈內部結構的認識將讓天文學家可以利用各種工具去探測它們，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。

「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。」來自德國馬普天體物理所的合作者Simon White教授說到，「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。」

這一超級模擬在中國廣州天河2，英國Durham的COSMA，德國慕尼黑的超級計算機上完成。本研究共包括7位作者，來自中國、英國、德國、美國四個國家四家單位。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2642-9。

[ 責編：蔡琳 ]

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