看到暗物质

银河系周围暗物质晕示意图。欧洲南方天文台

最近，国际顶级科学杂志《自然》发表了由国家天文台研究员王杰领导的国际研究团队的一项重要理论发现。利用超级计算机和一种全新的多倍放大模拟技术，在当前的标准宇宙模型下，他们首次获得了宇宙中暗晕内部结构的清晰图像，范围从最小的类似地球质量的大小到最大质量的超级星团。

在宇宙中，约85%的物质成分是暗物质，其物质性质与构成恒星、行星和人类世界的普通物质完全不同。这些由暗物质引力坍缩形成的结构被称为暗晕。普通气体冷却后聚集在暗晕中心，从而形成明亮的恒星、星系和整个明亮的世界。

在宇宙中，质量最大的暗晕是包含数百个亮星系的巨型星系团，其质量约为太阳的万亿倍。天文学家已经广泛研究了它的性质。因为恒星和星系只能在比太阳重一百万倍的暗晕中形成，所以那些更小的暗晕在整个宇宙演化历史中只能保持“黑暗”。它们数量如此之多，以至于人类对它们知之甚少。根据目前流行的暗物质性质模型，推测宇宙中最小暗晕质量可能与地球相当。

“我们只能依靠超级计算机，通过模拟宇宙的演化来研究这些黑暗的超微晕。”一位来自国家天文台的合作者强调，科学家需要开发一种全新的技术，以便在整个宇宙背景下研究太阳系大小的暗晕的内部结构。

走向未知，来自中国、德国、英国和美国的国际研究团队花了5年时间开发和测试模拟程序，运行了一系列超级放大的宇宙模拟，最终使质量放大倍数超过30个数量级，即100万亿倍。

这个数字是什么意思？“这种宇宙典型区域的超放大模拟，需要8个‘放大镜’放大。放大倍数相当于在张越手表的图片上找到一只跳蚤。”来自杜伦大学的合著者卡洛斯·弗兰克(Carlos Frank)教授表示，仅这一点就对科学家模拟原始条件的程序的准确性和可靠性构成了巨大挑战。“这一挑战在我们整个研究领域从未遇到过。”卡洛斯·弗兰克说。

忠诚的妻子。通过这些超级放大的模拟，研究小组能够可靠而彻底地研究从地球到超星系团的质量晕的形成、演化和内部结构。

“人们一直猜测，那些小暗晕应该不同于我们熟悉的超级暗晕的内部结构。”但令王杰等人惊讶的是，他们发现所有的质量暗晕都具有非常相似的内部结构——中心致密，向外逐渐稀疏，大量较小的暗物质团块包围着相对较外的空。

“如果不知道尺度，很难区分图像中巨大的星系团暗晕和只有地球质量大小的超微暗晕。”王杰说。

了解这些低质量暗晕的内部结构将使天文学家能够使用各种工具来探测它们，如引力透镜，动力学和伽马射线爆发监测。根据目前的一些理论，大量暗物质粒子会在致密的暗晕中心相互碰撞，然后湮灭产生伽马辐射暴。

“我们的结果预测，大部分辐射来自那些太小而无法形成恒星的超微暗晕。”来自德国马普天体物理研究所的合作者西蒙·怀特教授说，“在未来，伽马射线观测将有可能捕捉到这些辐射信号，从而让我们得以一窥宇宙中这些‘超级矮星’的‘真实内容’。这将有助于我们验证关于暗物质性质的假设——暗物质可能不是‘完全’黑暗的。”(申会)