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你見過暗物質(zhì)暈嗎

來源:經(jīng)濟日報編輯:管玲玲發(fā)布時間:2020-09-27 16:18:09

  近日,國際頂級科學(xué)期刊《自然》發(fā)布了國家天文臺王杰研究員領(lǐng)銜的國際研究團隊一項重要理論發(fā)現(xiàn)。他們利用超級計算機,采用一項全新多重放大模擬技術(shù),在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型下,首次獲得宇宙中從最小的類似地球質(zhì)量大小,到具有最大質(zhì)量超級星系團的暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰圖像。

  宇宙中,約85%的物質(zhì)成分是暗物質(zhì),其物質(zhì)屬性與組成恒星、行星以及人類世界的普通物質(zhì)截然不同。這些暗物質(zhì)受引力塌縮形成的結(jié)構(gòu)體,被稱為暗暈。普通物質(zhì)的氣體通過冷卻、聚集于暗暈中心,從而形成璀璨的恒星、星系以及整個光明的世界。

  宇宙中,最大質(zhì)量暗暈是包含數(shù)百個亮星系的巨型星系團,其質(zhì)量約為太陽的百萬億倍,屬性已被天文學(xué)家廣泛研究。由于恒星與星系只能在比太陽重百萬倍的暗暈內(nèi)形成,那些比較小的暗暈在整個宇宙演化歷史里,只能一直保持“黑暗”。它們數(shù)量極多,人類卻對其知之甚少。根據(jù)目前流行的暗物質(zhì)屬性模型推測,宇宙中最小暗暈質(zhì)量可能與地球相當(dāng)。

  “我們只能依賴超級計算機,通過模擬宇宙演化來研究這些黑暗的超微暗暈。”來自國家天文臺的合作者高亮介紹,為在整個宇宙背景框架下研究只有太陽系大小暗暈的內(nèi)部結(jié)構(gòu),科學(xué)家們需要開發(fā)一種全新技術(shù)。

  向著未知出發(fā),來自中國、德國、英國與美國的國際研究團隊耗時5年,開發(fā)、測試模擬程序,并運行了一系列超級放大宇宙模擬,最終使得質(zhì)量放大倍數(shù)跨越30個數(shù)量級,即一百萬億億億倍。

  這一數(shù)字意味著什么?“在宇宙中一個典型區(qū)域進行的這一超級放大模擬,需要利用8個‘放大鏡’接力放大。其放大程度相當(dāng)于在一張月表圖片上找到一只跳蚤。”來自杜倫大學(xué)的共同作者卡洛斯·弗蘭克教授說,僅這一點,就對科學(xué)家模擬原初條件的程序精確度與可靠度提出了巨大挑戰(zhàn)。“這一挑戰(zhàn)是我們整個研究領(lǐng)域都從未遇到過的。”卡洛斯·弗蘭克表示。

  守得云開見月明。通過這些超級放大的模擬,研究團隊最終得以可靠并詳盡地研究從地球到超級星系團質(zhì)量暗暈的形成、演化以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

  “人們一直猜測,那些小暗暈應(yīng)該與熟悉的超大暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一樣。”但令王杰等人驚嘆的是,他們發(fā)現(xiàn)所有質(zhì)量暗暈均具有極為相似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——中心致密,往外逐漸稀疏,大量更小的暗物質(zhì)團塊在相對較外的空間環(huán)繞。

  “如果不知道比例尺,在圖像上很難區(qū)分一個巨大星系團暗暈與一個只有地球質(zhì)量大小的超微暗暈。”王杰說。

  這些對小質(zhì)量暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認識,將讓天文學(xué)家們可以利用各種工具去探測它們,比如引力透鏡、動力學(xué)與伽馬輻射爆的監(jiān)測等。根據(jù)目前一些理論推測,大量暗物質(zhì)粒子會在致密的暗暈中心相互碰撞,從而湮滅產(chǎn)生伽馬輻射爆。

  “我們的結(jié)果預(yù)測很大一部分輻射來自于那些因為太小而不能形成恒星的超微暗暈。”來自德國馬普天體物理所的合作者西蒙·懷特教授認為,“未來,伽馬射線觀測極可能捕捉到這些輻射信號,從而讓我們一窺這些宇宙中‘超級小矮人’的‘真容’。這將幫助我們驗證關(guān)于暗物質(zhì)本質(zhì)的假設(shè)——暗物質(zhì)可能并非‘完全’是黑暗的。”

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