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【科技日报】八个“放大镜”接力 给暗物质晕“拍个照”

2020-09-03 科技日报 陆成宽
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  暗物质晕(以下简称暗晕)究竟长啥样?

  来自中国科学院国家天文台等国内外单位的研究人员,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,首次获得了宇宙中全尺度暗晕内部结构的清晰图像。相关研究成果9月2日在线发表于《自然》杂志上。

  宇宙中约85%的物质成分是暗物质,其物质属性与组成恒星、行星以及我们人类世界的普通物质截然不同。这些暗物质受引力影响而塌缩,形成的结构体被称为暗晕。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,它们的属性已经被天文学家广泛研究。然而,小质量的暗晕却没有那么幸运。它们虽然数量极多,但是人类却对其知之甚少。

  “因为它们在整个宇宙演化历史里一直保持‘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。”论文作者之一、中国科学院国家天文台研究员高亮说,“为了在整个宇宙的背景框架下研究只有太阳系大小的暗晕的内部结构,我们开发了一种全新的技术。”

  研究人员耗时5年,借助超级计算机,开发、测试模拟程序,并利用多重放大技术,成功将小质量暗晕的放大倍数跨越30个数量级。“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上找到一只跳蚤。”论文第一作者兼共同通讯作者、中国科学院国家天文台研究员王杰打了个比方。

  这些超级放大的模拟使研究人员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,即中心致密,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。”王杰说,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,动力学和伽马辐射暴的监测。

  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暴。“我们的结果预测很大一部分辐射来自那些因为太小而不能形成恒星的超微暗晕。”王杰说,“未来的伽马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——暗物质可能并不是我们想象的‘完全’是黑暗的。”

  (原载于《科技日报》 2020-09-03 03版)

打印 责任编辑:张芳丹

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