《自然》:首次獲得清晰圖像!全尺度解析暗物質暈內部結構
2020年09月03日11:06

  新浪科技訊 北京時間9月3日消息,國際科學期刊《自然》發佈國家天文台王傑研究員領銜的國際研究團隊的一項重要理論發現。他們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,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)的暗暈內部結構的清晰圖像。

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)
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)

  宇宙中約85%的物質成分是暗物質,其物質屬性和組成恒星、行星以及我們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,它們的屬性已經廣泛的被天文學家研究了。 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歷史里一直保持“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。

  “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。”來自國家天文台的合作者高亮研究員說,“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,我們需要開發一種全新的技術。”

  來自中國、德國、英國和美國的國際研究團隊耗時5年,開發、測試模擬程式,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。

超級放大宇宙模擬里暗物質密度分佈示意圖: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。
超級放大宇宙模擬里暗物質密度分佈示意圖: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式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。”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恒星的超微暗暈。”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。

完成這一超級放大模擬的中國天河2號,英國COSMA,和德國的Freya超級計算機
完成這一超級放大模擬的中國天河2號,英國COSMA,和德國的Freya超級計算機

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