中科院首次獲得了宇宙中全尺度暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)的清晰圖像

暗物質(zhì)暈（以下簡(jiǎn)稱“暗暈”）究竟長(zhǎng)啥樣？來(lái)自中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)等國(guó)內(nèi)外單位的研究人員，利用中國(guó)和歐洲的超級(jí)計(jì)算機(jī)，采用一項(xiàng)全新的多重放大模擬技術(shù)，在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型下，首次獲得了宇宙中全尺度暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)的清晰圖像。相關(guān)研究成果9月2日在線發(fā)表于《自然》雜志上。
　　　　　藝術(shù)家對(duì)宇宙中具有不同質(zhì)量的暗暈的想象圖。（上海自動(dòng)化儀表廠有限公司）
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、行星以及我們?nèi)祟愂澜绲钠胀ㄎ镔|(zhì)截然不同。這些暗物質(zhì)受引力影響而塌縮，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(gè)光明的世界。
宇宙中最大質(zhì)量的暗暈是包含數(shù)百個(gè)亮星系的巨型星系團(tuán)，其質(zhì)量大約是太陽(yáng)的百萬(wàn)億倍，它們的屬性已經(jīng)被天文學(xué)家廣泛研究。然而，小質(zhì)量的暗暈卻沒有那么幸運(yùn)。它們雖然數(shù)量極多，但是人類卻對(duì)其知之甚少。
“因?yàn)樗鼈冊(cè)谡麄€(gè)宇宙演化歷史里一直保持‘黑暗’， 我們只能依賴超級(jí)計(jì)算機(jī)通過模擬宇宙的演化來(lái)研究這些黑暗的超微暗暈?！闭撐淖髡咧?、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員高亮說(shuō)，“為了在整個(gè)宇宙的背景框架下研究只有太陽(yáng)系大小的暗暈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們開發(fā)了一種全新的技術(shù)。”
研究人員耗時(shí)5年，借助超級(jí)計(jì)算機(jī)，開發(fā)、測(cè)試模擬程序，并利用多重放大技術(shù)，成功將小質(zhì)量暗暈的放大倍數(shù)跨越30個(gè)數(shù)量級(jí)。“在宇宙中一個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行的這一超級(jí)放大模擬，需要利用八個(gè)‘放大鏡’接力去放大。其放大程度相當(dāng)于在一張?jiān)虑虮砻娴膱D片上找到一只跳蚤。”論文第一作者兼共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員王杰打了個(gè)比方。
超級(jí)放大宇宙模擬里暗物質(zhì)密度分布示意圖
這些超級(jí)放大的模擬使研究人員得以可靠并詳盡地研究從地球到超級(jí)星系團(tuán)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(cè)那些小的暗暈應(yīng)該和我們熟悉的超大暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一樣，但令人驚嘆的是，我們發(fā)現(xiàn)所有質(zhì)量的暗暈竟然均具有極為相似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即中心致密，往外逐漸稀疏，而大量的更小的暗物質(zhì)團(tuán)塊在其相對(duì)較外的空間環(huán)繞?！蓖踅苷f(shuō)，如果不知道比例尺，在圖像上幾乎很難區(qū)分一個(gè)巨大的星系團(tuán)暗暈和一個(gè)只有地球質(zhì)量大小的超微暗暈。
這些新獲得的對(duì)小質(zhì)量暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，將讓天文學(xué)家可以利用各種工具去探測(cè)它們，比如引力透鏡，動(dòng)力學(xué)和伽馬輻射暴的監(jiān)測(cè)。
根據(jù)目前的一些理論推測(cè)，大量的暗物質(zhì)粒子會(huì)在致密的暗暈中心相互碰撞，從而湮滅產(chǎn)生伽馬輻射暴?！拔覀兊慕Y(jié)果預(yù)測(cè)很大一部分輻射來(lái)自于那些因?yàn)樘《荒苄纬珊阈堑某禃灐！蓖踅苷f(shuō)，“未來(lái)的伽馬射線觀測(cè)極可能捕捉到這些輻射信號(hào)， 從而讓我們一窺這些宇宙中的‘超級(jí)小矮人’的‘真容’。這將幫助我們驗(yàn)證關(guān)于暗物質(zhì)本質(zhì)的假設(shè)——可能暗物質(zhì)可能并不是我們想象的‘完全’是黑暗的。”