首頁 >> 新聞動態 >> 重要新聞

重要新聞

國家天文台研究人員全尺度解析暗物質暈內部結構

發表日期:2020-09-04來源:放大 縮小

  北京时间2020年9月3日凌晨,国际科学期刊《自然》发布国家天文台王杰研究員领衔的国际研究团队的一项重要理论发现。他们利用中国和欧洲的超级计算机,采用一项全新的多重放大模拟技术,在当前标准宇宙学模型下,首次获得了宇宙中从最小的类似地球质量大小到具有最大质量的超级星系团(跨越20个数量级)的暗晕内部结构的清晰图像。 

  宇宙中約85%的物質成分是暗物質,其物質屬性和組成恒星、行星以及我們人類世界的普通物質截然不同。這些暗物質受引力塌縮,形成的結構體則被稱爲暗暈。而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。宇宙中最大質量的暗暈是包含數百個亮星系的巨型星系團,其質量大約是太陽的百萬億倍,它們的屬性已經廣泛的被天文學家研究了。因爲恒星和星系只能在比太陽重百萬倍的暗暈裏形成,對于那些比這一質量小的暗暈,它們在整個宇宙演化曆史裏一直保持“黑暗”。它們數量極多,人類卻對其知之甚少。根據目前流行暗物質屬性模型推測,宇宙中最小的暗暈質量可能和地球相當。  

  “因为它们的黑暗,我们只能依赖超级计算机通过模拟宇宙的演化来研究这些黑暗的超微暗晕。”来自国家天文台的合作者高亮研究員说,“为了在整个宇宙的背景框架下研究只有太阳系大小暗晕的内部结构,我们需要开发一种全新的技术。”

  來自中國、德國、英國和美國的國際研究團隊耗時5年,開發、測試模擬程序,並運行了一系列超級放大宇宙模擬,質量放大倍數跨越30個數量級(1後面30個0)。也即一百萬億億億倍。

  “在宇宙中一个典型区域进行的这一超级放大模拟,需要利用八个‘放大镜’接力去放大。其放大程度相当于在一张月球表面的图片找到上面的一只跳蚤。想想如何逐次去配置每一个新的‘放大镜’使新获得的图像和原来的一样精确清晰就对我们模拟原初条件的精度和程序的精确度和可靠度提出了巨大的挑战。这一挑战是我们整个领域都从未遇到过的,也是我们从业以来所遇到的最艰难的一次。”来自Durham大学的共同作者Carlos Frenk教授说到。这些超级放大的模拟使该团队得以可靠并详尽地研究从地球到超级星系团质量暗晕的形成、演化以及内部结构。

  “人们一直猜测那些小的暗晕应该和我们熟悉的超大暗晕内部结构不一样,但令人惊叹的是我们发现所有质量的暗晕竟然均具有极为相似的内部结构——中心致密,往外逐渐稀疏,而大量的更小的暗物质团块在其相对较外的空间环绕。”王杰研究員说到:“如果不知道比例尺,在图像上几乎很难区分一个巨大的星系团暗晕和一个只有地球质量大小的超微暗晕。”

  这些新获得的对小质量暗晕内部结构的认识将让天文学家可以利用各种工具去探测它们,比如引力透镜,动力学和伽玛辐射爆的监测。根据目前的一些理论推测,大量的暗物质粒子会在致密的暗晕中心相互碰撞,从而湮灭产生伽马辐射爆。“我们的结果预测很大一部分辐射来自于那些因为太小而不能形成恒星的超微暗晕。”来自德国马普天体物理所的合作者Simon White教授说到,“未来的伽玛射线观测极可能捕捉到这些辐射信号, 从而让我们一窥这些宇宙中的‘超级小矮人’的‘真容’。这将帮助我们验证关于暗物质本质的假设——可能暗物质可能并不是我们想象的‘完全’是黑暗的。”

  這一超級模擬在中國廣州天河2,英國Durham的COSMA,德國慕尼黑的超級計算機上完成。本研究共包括7位作者,來自中國、英國、德國、美國四個國家四家單位。

  論文地址:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2642-9 

圖一:藝術家對宇宙中具有不同質量的暗暈的想象圖。(喻京川繪制)

圖二:超級放大宇宙模擬裏暗物質密度分布示意圖:圖中展示的是其中的兩次放大過程。背景圖片裏宇宙網格裏的節點則是質量爲1e15太陽質量的星系團,而左下角裏第二張放大的圖裏最小的結構體則爲1e-6太陽質量的地球大小的暗暈,其質量跨越20個等級。

 

 

附件: