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宇宙八個放大鏡接力給暗物質暈拍個照

來源:
2020-09-03

來自中國科學院國家天文臺等國內外單位的研究人員,利用中國和歐洲的超級計算機,采用一項全新的多重放大模擬技術,在當前標準宇宙學模型下,首次獲得了宇宙中全尺度暗暈內部結構的清晰圖像。相關研究成果9月2日在線發表于《自然》雜志上。

宇宙中約85%的物質成分是暗物質,其物質屬性與組成恒星、行星以及我們人類世界的普通物質截然不同。這些暗物質受引力影響而塌縮,形成的結構體被稱為暗暈。普通物質的氣體通過冷卻,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。

“因為它們在整個宇宙演化歷史里一直保持‘黑暗’,我們只能依賴超級計算機通過模擬宇宙的演化來研究這些黑暗的超微暗暈。”論文作者之一、中國科學院國家天文臺研究員高亮說,“為了在整個宇宙的背景框架下研究只有太陽系大小的暗暈的內部結構,我們開發了一種全新的技術。”

研究人員耗時5年,借助超級計算機,開發、測試模擬程序,并利用多重放大技術,成功將小質量暗暈的放大倍數跨越30個數量級。“在宇宙中一個典型區域進行的這一超級放大模擬,需要利用八個‘放大鏡’接力去放大。其放大程度相當于在一張月球表面的圖片上找到一只跳蚤。”論文第一作者兼共同通訊作者、中國科學院國家天文臺研究員王杰打了個比方。

“人們一直猜測那些小的暗暈應該和我們熟悉的超大暗暈內部結構不一樣,但令人驚嘆的是,我們發現所有質量的暗暈竟然均具有極為相似的內部結構,即中心致密,往外逐漸稀疏,而大量的更小的暗物質團塊在其相對較外的空間環繞。”王杰說,如果不知道比例尺,在圖像上幾乎很難區分一個巨大的星系團暗暈和一個只有地球質量大小的超微暗暈。

根據目前的一些理論推測,大量的暗物質粒子會在致密的暗暈中心相互碰撞,從而湮滅產生伽馬輻射暴。“我們的結果預測很大一部分輻射來自那些因為太小而不能形成恒星的超微暗暈。”王杰說,“未來的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的‘超級小矮人’的‘真容’。這將幫助我們驗證關于暗物質本質的假設——暗物質可能并不是我們想象的‘完全’是黑暗的。”