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（以下簡稱“暗暈”）究竟長啥樣？來自中國科學(xué)院國家天文臺等國內(nèi)外單位的研究人員，利用中國和歐洲的超級計算機(jī)，采用一項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)家對宇宙中具有不同質(zhì)量的暗暈的想象圖。（上海自動化儀表廠有限公司）
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、星系以及整個光明的世界。
宇宙中最大質(zhì)量的暗暈是包含數(shù)百個亮星系的巨型星系團(tuán)，其質(zhì)量大約是太陽的百萬億倍，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，但是人類卻對其知之甚少。
“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(jī)通過模擬宇宙的演化來研究這些黑暗的超微暗暈?！闭撐淖髡咧?、中國科學(xué)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們開發(fā)了一種全新的技術(shù)?！?br style="color:#666666;font-family:宋體;font-size:12px;" />研究人員耗時5年，借助超級計算機(jī)，開發(fā)、測試模擬程序，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個數(shù)量級?！霸谟钪嬷幸粋€典型區(qū)域進(jìn)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(dāng)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(xué)院國家天文臺研究員王杰打了個比方。
超級放大宇宙模擬里暗物質(zhì)密度分布示意圖
這些超級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)塊在其相對較外的空間環(huán)繞?！蓖踅苷f，如果不知道比例尺，在圖像上幾乎很難區(qū)分一個巨大的星系團(tuán)暗暈和一個只有地球質(zhì)量大小的超微暗暈。
這些新獲得的對小質(zhì)量暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，將讓天文學(xué)家可以利用各種工具去探測它們，比如引力透鏡，動力學(xué)和伽馬輻射暴的監(jiān)測。
根據(jù)目前的一些理論推測，大量的暗物質(zhì)粒子會在致密的暗暈中心相互碰撞，從而湮滅產(chǎn)生伽馬輻射暴。“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。”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(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。”