暗物質研究新突破!天文學家首獲宇宙全尺度暗暈內部結構高清圖
2020年09月03日10:28

原標題:暗物質研究新突破!天文學家首獲宇宙全尺度暗暈內部結構高清圖

中新網北京9月3日電 (記者 孫自法)備受關注的暗物質研究最新獲得一項重要理論突破——天文學家在當前標準宇宙學模型下,首次獲得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)的暗物質暈(暗暈)內部結構的清晰圖像。

  這一重大天文成果由中國科學院國家天文台王傑研究員領銜、中德英美等天文學家組成的國際合作團隊,曆時5年開發、測試模擬程序,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,最終全尺度解析暗暈內部結構並獲得高清圖。該成果論文已在北京時間9月2日深夜出版的國際著名學術期刊《自然》上發表。

超級放大宇宙模擬里暗物質密度分佈示意圖:圖中展示的是其中的兩次放大過程。背景圖片里宇宙網格里的節點則是質量為太陽質量的星系團,而左下角里第二張放大的圖里最小的結構體則為太陽質量的地球大小的暗暈,其質量跨越20個等級。(中科院國家天文台 供圖)

目前推測最小暗暈質量可能和地球相當

  中科院國家天文台介紹,宇宙中約85%的物質成分是暗物質,其物質屬性和組成恒星、行星以及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暈。而普通物質的氣體通過冷卻、聚集於暗暈中心,從而形成璀璨的恒星、星系以及整個光明的世界。

  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。因為恒星和星系只能在比太陽重百萬倍的暗暈里形成,對於那些比這一質量小的暗暈,它們在整個宇宙演化曆史里一直保持“黑暗”。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。

完成這一超級放大模擬的中歐超級計算機——中國天河2號、英國COSMA、德國Freya(從左至右)。(中科院國家天文台 供圖)
完成這一超級放大模擬的中歐超級計算機——中國天河2號、英國COSMA、德國Freya(從左至右)。(中科院國家天文台 供圖)

超級放大模擬相當於在月面圖片找跳蚤

  “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。”國際團隊成員、中科院國家天文台高亮研究員說,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,國際團隊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)。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。

  來自英國杜倫大學的論文共同作者卡羅斯·弗朗克(Carlos Frenk)教授形象稱,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”。

所有質量暗暈內部結構極為相似

  王傑指出,“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,但令人驚歎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。

暗物質可能並非“完全”黑暗

  “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恒星的超微暗暈。”來自德國馬普天體物理所的合作者西蒙·懷特(Simon White)教授表示,“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——暗物質可能並不是我們想像的‘完全’是黑暗的。”

  據瞭解,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。(完)

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