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(tuán)隊(duì)一項(xiàng)重要理論發(fā)現(xiàn)。他們利用超級計(jì)算機(jī)，采用一項(xiàng)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(tuán)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(gè)光明的世界。

宇宙中，最大質(zhì)量暗暈是包含數(shù)百個(gè)亮星系的巨型星系團(tuán)，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(gè)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(jì)算機(jī)，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(gè)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(tuán)隊(duì)耗時(shí)5年，開發(fā)、測試模擬程序，并運(yùn)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(gè)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(gè)典型區(qū)域進(jìn)行的這一超級放大模擬，需要利用8個(gè)‘放大鏡’接力放大。其放大程度相當(dāng)于在一張?jiān)卤韴D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(diǎn)，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(gè)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(tuán)隊(duì)最終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(tuán)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(gè)巨大星系團(tuán)暗暈與一個(gè)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(rèn)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(dòng)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?yàn)樘《荒苄纬珊阈堑某禃灐?rdquo;來自德國馬普天體物理所的合作者西蒙·懷特教授認(rèn)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(yàn)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。”(沈 慧)

關(guān)鍵詞： 暗物質(zhì)