科學家耗時五年“繪製”暗暈內部結構清晰圖

神秘的暗物質暈究竟長啥樣？科學家有了最新發現。

來自中國科學院國家天文台的研究員王傑領銜的國際研究團隊，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，首次獲得了宇宙中全尺度暗物質暈（以下簡稱“暗暈”）內部結構的清晰圖像。

這一重要發現已於北京時間2020年9月3日凌晨在國際頂級學術期刊《自然》發表。

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。

據王傑介紹，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，它們的屬性已被天文學家廣泛研究。相比之下，那些小質量的暗暈在整個宇宙演化史中一直保持“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。”論文作者之一、中國科學院國家天文台研究員高亮説，“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。為了在整個宇宙的背景框架下研究只有太陽系大小的暗暈的內部結構，我們開發了一種全新的技術。”

來自中國、德國、英國和美國的國際研究團隊耗時5年，藉助超級計算機開發、測試模擬程序，並運行了一系列超級放大宇宙模擬，成功將小質量暗暈的質量放大倍數跨越30個數量級，即100萬億億億倍。

“在宇宙一個典型區域進行這一超級放大模擬，需要8個‘放大鏡’接力放大。其放大程度相當於在一張月球表面的圖片上找到1只跳蚤。”王傑的合作團隊打了這樣一個比方。他説，如何逐次配置每個新的“放大鏡”，讓新獲得的圖像和原來的一樣精確清晰，給科研團隊提出了巨大的挑戰。這一挑戰是他們從未遇到，也是他們從業以來所遇到的“最艱難的一次”。

這些超級放大的模擬，讓研究人員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同，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，即中心緻密，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。”王傑説，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、動力學和伽馬輻射暴的監測。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暴。

“我們的結果預測，很大一部分輻射來自那些因為太小而不能形成恆星的超微暗暈。”王傑合作團隊認為，“未來的伽馬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象中的‘完全’黑暗”。