中國天文學家全尺度解析暗物質暈內部結構

中國科學院國家天文台以王杰研究員為首的國際研究團隊利用超級電腦，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（跨越二十個數量級）的暗暈內部結構的清晰圖像。

宇宙中約八成半的物質成分是暗物質，其物質屬性和組成恆星、行星以及我們人類世界的普通物質截然不同。這些暗物質受重力塌縮，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，從而形成璀璨的恆星，星係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一千兆倍，它們的屬性已經廣泛的被天文學家研究。因為恆星和星系只能在比太陽重百萬倍的暗暈裡形成，對於那些比這一質量小的暗暈，它們在整個宇宙演化歷史裡一直保持黑暗。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，我們只能依賴超級電腦通過模擬宇宙的演化來研究這些黑暗的超微暗暈。”國家天文台研究團隊高亮研究員表示，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。

研究團隊耗時五年，開發、測試模擬程序，並運行了一系列超級放大宇宙模擬，質量放大倍數跨越三十個數量級（一後面三十個零）。也即是一百穰倍。

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。來自英國對衡大學（Durham University）的卡洛斯·弗蘭克（Carlos Frenk）教授說：這些超級放大的模擬使研究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。王杰研究員指出：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讓天文學家可以利用各種工具去探測它們，比如重力透鏡，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。來自德國馬克斯·普朗克天體物理研究所（Max-Planck-Institut für Astrophysik）西蒙·懷特（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訊號， 從而讓我們一窺這些宇宙中的超級小矮人的真面貌。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是完全黑暗。

【圖：互聯網；文：節錄自中國科學院國家天文台網頁；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2020年9月2日出版的《自然》期刊