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  • 由中国科学家领衔,暗物质之谜入门“钥匙”拿到了

    来源:文汇报 2020.9.8 2020-09-27 10:52:10 点击:136 赞美:2

           本报讯(首席记者许琦敏)神秘的暗物质晕(简称“暗晕”)究竟长啥样?科学家有了新发现。由中科院国家天文台王杰研究员领衔,来自中德英美四国的7名科学家组成国际研究团队,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。英国《自然》杂志近日发布了这一重要发现。

          

           宇宙中约85%的物质成分是暗物质,它们受引力塌缩所形成的结构体被称为“暗晕”。而普通物质的气体则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。

          

           宇宙中的暗晕质量差异巨大,可跨越20个数量级,即相差一万亿亿倍——根据目前流行的暗物质属性模型推测,宇宙中最小的暗晕仅与地球质量相当,最大的暗晕则是包含数百个亮星系的巨型星系团,其质量约是太阳的百万亿倍。

          

           这些巨型星系团的属性已经被天文学家广泛研究,而那些无法形成恒星和星系的小质量暗晕,却一直在整个宇宙演化史中保持着“黑暗”。它们数量极多,人类对其知之甚少,但这些微小暗晕对于我们回答 “暗物质是什么”这一宇宙终极问题非常关键。

          

           目前,不同的暗物质模型的差异主要就在于这些小暗晕的属性上。如果科学家能从理论上准确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,并最终找到宇宙终极之问的答案——此次,由中国科学家领衔的国际研究团队的发现,相当于拿到了入门的钥匙。

          

           “我们只能靠超级计算机,通过模拟宇宙的演化,来研究这些黑暗的超微暗晕。”论文合作者、中科院国家天文台高亮研究员说,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,他们需要开发一种全新的技术。

          

           这一国际研究团队耗时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,即一百万亿亿亿倍。

          

           “针对宇宙中一个典型区域进行的超级放大模拟,需要利用八个‘放大镜’接力,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,这对于模拟原初条件的精度,以及程序的精确度和可靠度,提出了前所未有的挑战。”来自英国杜伦大学的共同作者卡洛斯·弗伦克教授说。

          

           不过新方法给天文学家带来了巨大惊喜,使他们得以可靠并详尽地研究这些大大小小暗晕的形成、演化以及内部结构。据王杰研究员介绍,研究团队发现,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,“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”。

          

           这些新获得的的知识,使天文学家可以利用各种工具,比如引力透镜、动力学、伽马辐射爆监测等,尝试去探测这些小质量暗晕的存在。

          

           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。“根据我们的预测结果,宇宙中很大一部分辐射来源于那些超微暗晕。”论文合作者之一、德国马普天体物理所西蒙·怀特教授表示,未来的伽马射线观测极可能捕捉到这些辐射信号,从而让人类一窥这些宇宙中的“超级小矮人”的真容,这将帮助科学家验证关于暗物质本质的假设——暗物质可能并不是完全黑暗的。

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