你見(jiàn)過(guò)暗物質(zhì)暈嗎

本報(bào)記者 沈 慧

近日，國(guó)際頂級(jí)科學(xué)期刊《自然》發(fā)布了國(guó)家天文臺(tái)王杰研究員領(lǐng)銜的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)一項(xiàng)重要理論發(fā)現(xiàn)。他們利用超級(jí)計(jì)算機(jī)，采用一項(xiàng)全新多重放大模擬技術(shù)，在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型下，首次獲得宇宙中從最小的類(lèi)似地球質(zhì)量大小，到具有最大質(zhì)量超級(jí)星系團(tuán)的暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰圖像。

宇宙中，約85%的物質(zhì)成分是暗物質(zhì)，其物質(zhì)屬性與組成恒星、行星以及人類(lèi)世界的普通物質(zhì)截然不同。這些暗物質(zhì)受引力塌縮形成的結(jié)構(gòu)體，被稱(chēng)為暗暈。普通物質(zhì)的氣體通過(guò)冷卻、聚集于暗暈中心，從而形成璀璨的恒星、星系以及整個(gè)光明的世界。

宇宙中，最大質(zhì)量暗暈是包含數(shù)百個(gè)亮星系的巨型星系團(tuán)，其質(zhì)量約為太陽(yáng)的百萬(wàn)億倍，屬性已被天文學(xué)家廣泛研究。由于恒星與星系只能在比太陽(yáng)重百萬(wàn)倍的暗暈內(nèi)形成，那些比較小的暗暈在整個(gè)宇宙演化歷史里，只能一直保持“黑暗”。它們數(shù)量極多，人類(lèi)卻對(duì)其知之甚少。根據(jù)目前流行的暗物質(zhì)屬性模型推測(cè)，宇宙中最小暗暈質(zhì)量可能與地球相當(dāng)。

“我們只能依賴(lài)超級(jí)計(jì)算機(jī)，通過(guò)模擬宇宙演化來(lái)研究這些黑暗的超微暗暈。”來(lái)自國(guó)家天文臺(tái)的合作者高亮介紹，為在整個(gè)宇宙背景框架下研究只有太陽(yáng)系大小暗暈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們需要開(kāi)發(fā)一種全新技術(shù)。

向著未知出發(fā)，來(lái)自中國(guó)、德國(guó)、英國(guó)與美國(guó)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)耗時(shí)5年，開(kāi)發(fā)、測(cè)試模擬程序，并運(yùn)行了一系列超級(jí)放大宇宙模擬，最終使得質(zhì)量放大倍數(shù)跨越30個(gè)數(shù)量級(jí)，即一百萬(wàn)億億億倍。

這一數(shù)字意味著什么？“在宇宙中一個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行的這一超級(jí)放大模擬，需要利用8個(gè)‘放大鏡’接力放大。其放大程度相當(dāng)于在一張?jiān)卤韴D片上找到一只跳蚤。”來(lái)自杜倫大學(xué)的共同作者卡洛斯·弗蘭克教授說(shuō)，僅這一點(diǎn)，就對(duì)科學(xué)家模擬原初條件的程序精確度與可靠度提出了巨大挑戰(zhàn)。“這一挑戰(zhàn)是我們整個(gè)研究領(lǐng)域都從未遇到過(guò)的。”卡洛斯·弗蘭克表示。

守得云開(kāi)見(jiàn)月明。通過(guò)這些超級(jí)放大的模擬，研究團(tuán)隊(duì)最終得以可靠并詳盡地研究從地球到超級(jí)星系團(tuán)質(zhì)量暗暈的形成、演化以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

“人們一直猜測(cè)，那些小暗暈應(yīng)該與熟悉的超大暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一樣。”但令王杰等人驚嘆的是，他們發(fā)現(xiàn)所有質(zhì)量暗暈均具有極為相似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——中心致密，往外逐漸稀疏，大量更小的暗物質(zhì)團(tuán)塊在相對(duì)較外的空間環(huán)繞。

“如果不知道比例尺，在圖像上很難區(qū)分一個(gè)巨大星系團(tuán)暗暈與一個(gè)只有地球質(zhì)量大小的超微暗暈。”王杰說(shuō)。

這些對(duì)小質(zhì)量暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，將讓天文學(xué)家們可以利用各種工具去探測(cè)它們，比如引力透鏡、動(dòng)力學(xué)與伽馬輻射爆的監(jiān)測(cè)等。根據(jù)目前一些理論推測(cè)，大量暗物質(zhì)粒子會(huì)在致密的暗暈中心相互碰撞，從而湮滅產(chǎn)生伽馬輻射爆。

“我們的結(jié)果預(yù)測(cè)很大一部分輻射來(lái)自于那些因?yàn)樘《荒苄纬珊阈堑某禃灐！眮?lái)自德國(guó)馬普天體物理所的合作者西蒙·懷特教授認(rèn)為，“未來(lái)，伽馬射線觀測(cè)極可能捕捉到這些輻射信號(hào)，從而讓我們一窺這些宇宙中‘超級(jí)小矮人’的‘真容’。這將幫助我們驗(yàn)證關(guān)于暗物質(zhì)本質(zhì)的假設(shè)——暗物質(zhì)可能并非‘完全’是黑暗的。”

沈 慧

[責(zé)任編輯：楊凡、崔中連]

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