備受關(guān)注的暗物質(zhì)研究最新獲得一項(xiàng)重要理論突破——天文學(xué)家在當(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)量的超級(jí)星系團(tuán)(跨越20個(gè)數(shù)量級(jí))的暗物質(zhì)暈(暗暈)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的清晰圖像。
這一重大天文成果由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)王杰研究員領(lǐng)銜、中德英美等天文學(xué)家組成的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，歷時(shí)5年開發(fā)、測(cè)試模擬程序，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)，最終全尺度解析暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)并獲得高清圖。該成果論文已在北京時(shí)間9月2日深夜出版的國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。
目前推測(cè)最小暗暈質(zhì)量可能和地球相當(dāng)
中科院國(guó)家天文臺(tái)介紹，宇宙中約85%的物質(zhì)成分是暗物質(zhì)，其物質(zhì)屬性和組成恒星、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)體則被稱為暗暈。而普通物質(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)量大約是太陽的百萬億倍。因?yàn)楹阈呛托窍抵荒茉诒忍栔匕偃f倍的暗暈里形成，對(duì)于那些比這一質(zhì)量小的暗暈，它們?cè)谡麄€(gè)宇宙演化歷史里一直保持“黑暗”。它們數(shù)量極多，人類卻對(duì)其知之甚少。根據(jù)目前流行暗物質(zhì)屬性模型推測(cè)，宇宙中最小的暗暈質(zhì)量可能和地球相當(dāng)。
超級(jí)放大模擬相當(dāng)于在月面圖片找跳蚤
“因?yàn)樗鼈兊暮诎?，我們只能依賴超?jí)計(jì)算機(jī)通過模擬宇宙的演化來研究這些黑暗的超微暗暈。”國(guó)際團(tuán)隊(duì)成員、中科院國(guó)家天文臺(tái)高亮研究員說，為了在整個(gè)宇宙的背景框架下研究只有太陽系大小暗暈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，國(guó)際團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)一種全新的技術(shù)，運(yùn)行一系列超級(jí)放大宇宙模擬，質(zhì)量放大倍數(shù)跨越30個(gè)數(shù)量級(jí)(即100萬億億億倍)。這些超級(jí)放大的模擬使該團(tuán)隊(duì)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)。
來自英國(guó)杜倫大學(xué)的論文共同作者卡羅斯·弗朗克(Carlos Frenk)教授形象稱，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8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片找到上面的一只跳蚤。如何逐次去配置每一個(gè)新的“放大鏡”，使新獲得的圖像和原來的一樣精確清晰就對(duì)模擬原初條件的精度和程序的精確度和可靠度提出巨大的挑戰(zhàn)。“這一挑戰(zhàn)是我們整個(gè)領(lǐng)域都從未遇到過的，也是我們從業(yè)以來所遇到的最艱難的一次”。
所有質(zhì)量暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為相似
王杰指出，“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)——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。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)和伽瑪輻射爆的監(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)生伽馬輻射爆。
暗物質(zhì)可能并非“完全”黑暗
“我們的結(jié)果預(yù)測(cè)很大一部分輻射來自于那些因?yàn)樘《荒苄纬珊阈堑某禃灐?rdquo;來自德國(guó)馬普天體物理所的合作者西蒙·懷特(Simon White)教授表示，“未來的伽瑪射線觀測(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)——暗物質(zhì)可能并不是我們想象的‘完全’是黑暗的。”
據(jù)了解，實(shí)現(xiàn)暗物質(zhì)研究重要突破的這一超級(jí)模擬，是在中國(guó)天河2、英國(guó)COSMA、德國(guó)Freya等超級(jí)計(jì)算機(jī)上完成，研究論文作者包括中、英、德、美四國(guó)7位科學(xué)家。(完)
