北京时间2020年9月3日凌晨，国际科学期刊《自然》发布国家天文台王杰研究员领衔的国际研究团队的一项重要理论发现。他们利用中国和欧洲的超级计算机，采用一项全新的多重放大模拟技术，在当前标准宇宙学模型下，首次获得了宇宙中从最小的类似地球质量大小到具有最大质量的超级星系团（跨越20个数量级）的暗晕内部结构的清晰图像。论文链接：点击这里。  

图1：艺术家对宇宙中具有不同质量的暗晕的想象图。（喻京川绘制）

宇宙中约85%的物质成分是暗物质，其物质属性和组成恒星、行星以及我们人类世界的普通物质截然不同。这些暗物质受引力塌缩，形成的结构体则被称为暗晕。而普通物质的气体通过冷却、聚集于暗晕中心，从而形成璀璨的恒星，星系以及整个光明的世界。
宇宙中最大质量的暗晕是包含数百个亮星系的巨型星系团，其质量大约是太阳的百万亿倍，它们的属性已经广泛的被天文学家研究了。 因为恒星和星系只能在比太阳重百万倍的暗晕里形成，对于那些比这一质量小的暗晕，它们在整个宇宙演化历史里一直保持“黑暗”。它们数量极多，人类却对其知之甚少。根据目前流行暗物质属性模型推测，宇宙中最小的暗晕质量可能和地球相当。
“而我们已经知道回答暗物质是什么这一宇宙终极问题的关键就在于这些小质量暗晕。”王杰研究员说到，“目前不同的暗物质模型的差异主要在于这些小质量区间，如果我们能理论预测出这些小暗晕的内部结构，将会帮助我们找到探测它们的方法，最后找到终极问题的答案。这就相当于拿到了入门的钥匙。”

“因为它们的黑暗，我们只能依赖超级计算机通过模拟宇宙的演化来研究这些黑暗的超微暗晕。”来自国家天文台的合作者高亮研究员说，“为了在整个宇宙的背景框架下研究只有太阳系大小暗晕的内部结构，我们需要开发一种全新的技术。”

来自中国、德国、英国和美国的国际研究团队耗时5年，开发、测试模拟程序，并运行了一系列超级放大宇宙模拟，质量放大倍数跨越30个数量级（1后面30个0）。也即一百万亿亿亿倍。

图2：超级放大宇宙模拟里暗物质密度分布示意图：图中展示的是其中的两次放大过程。背景图片里宇宙网格里的节点则是质量为太阳质量的星系团，而左下角里第二张放大的图里最小的结构体则为太阳质量的地球大小的暗晕，其质量跨越20个等级。

“在宇宙中一个典型区域进行的这一超级放大模拟，需要利用八个‘放大镜’接力去放大。其放大程度相当于在一张月球表面的图片找到上面的一只跳蚤。想想如何逐次去配置每一个新的‘放大镜’使新获得的图像和原来的一样精确清晰就对我们模拟原初条件的精度和程序的精确度和可靠度提出了巨大的挑战。这一挑战是我们整个领域都从未遇到过的，也是我们从业以来所遇到的最艰难的一次。”来自Durham大学的共同作者Carlos Frenk教授说到。

这些超级放大的模拟使该团队得以可靠并详尽地研究从地球到超级星系团质量暗晕的形成、演化以及内部结构。

“人们一直猜测那些小的暗晕应该和我们熟悉的超大暗晕内部结构不一样，但令人惊叹的是我们发现所有质量的暗晕竟然均具有极为相似的内部结构——中心致密，往外逐渐稀疏，而大量的更小的暗物质团块在其相对较外的空间环绕。”王杰研究员说到：“如果不知道比例尺，在图像上几乎很难区分一个巨大的星系团暗晕和一个只有地球质量大小的超微暗晕。”

这些新获得的对小质量暗晕内部结构的认识将让天文学家可以利用各种工具去探测它们，比如引力透镜，动力学和伽玛辐射爆的监测。

根据目前的一些理论推测，大量的暗物质粒子会在致密的暗晕中心相互碰撞，从而湮灭产生伽马辐射爆。

“我们的结果预测很大一部分辐射来自于那些因为太小而不能形成恒星的超微暗晕。”来自德国马普天体物理所的合作者Simon White教授说到，“未来的伽玛射线观测极可能捕捉到这些辐射信号， 从而让我们一窥这些宇宙中的‘超级小矮人’的‘真容’。这将帮助我们验证关于暗物质本质的假设——可能暗物质可能并不是我们想象的‘完全’是黑暗的。并帮助我们找到‘暗物质是什么？’这一宇宙学‘圣杯’问题的最终答案。”

这一超级模拟在中国广州天河2，英国Durham的COSMA，德国慕尼黑Freya的超级计算机上完成。本研究共包括7位作者，来自中国、英国、德国、美国四个国家四家单位。 

国家天文科学数据中心为天文观测设备和研究计划提供数据与技术服务。

图3： 完成这一超级放大模拟的中国天河2号，英国COSMA，和德国的Freya超级计算机

新闻来源：科技日报

作者：陆成宽