宇宙全尺度暗晕什么样从地球质量大小到超级星系团质量大小

本报北京9月3日电（记者齐芳） 3日凌晨出版的科学期刊《自然》发表了一项由我国科学家领衔的国际研究团队理论发现：科学家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，首次模拟出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的暗晕内部结构的清晰图像，跨越了20个数量级。

研究认为，宇宙中物质成分的约85%是暗物质。这些暗物质在引力作用下塌缩成团，被称为暗晕。暗物质虽然无法被观测到，但暗晕却是孕育光明世界的“摇篮”——普通物质的气体通过冷却、聚集于暗晕中心，从而形成璀璨的恒星，星系以及整个我们所能观测到的光明的世界。

宇宙中最大质量的暗晕是包含数百个亮星系的巨型星系团，其质量大约是太阳的百万亿倍；最小的暗晕质量可能和地球相当。因为恒星和星系只能在比太阳重百万倍的暗晕里形成，因此科学家们对这类暗晕研究得比较多，但对于数量极多的、比这一质量小的暗晕，因为它们在整个宇宙演化历史里一直保持“黑暗”，就知之甚少。

“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。”合作者之一、中国科学院国家天文台研究员高亮说，“为了在整个宇宙的背景框架下研究只有太阳系质量大小暗晕的内部结构，需要开发一种全新的技术。”来自中国、德国、英国和美国的国际研究团队耗时5年，开发、测试模拟程序，并运行了一系列超级放大宇宙模拟，质量放大倍数跨越30个数量级，即一百万亿亿亿倍。合作者之一、英国杜翰大学的共同作者卡洛斯·弗兰克教授说：“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8个‘放大镜’接力去放大，其放大程度相当于在月球表面图片中找到一只跳蚤。这对我们模拟原初条件的精度、程序的精确度和可靠度提出了巨大挑战。”

这些超级放大的模拟让科学家们有了新的发现。研究的领导者、中国科学院国家天文台研究员王杰说：“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。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。”

这些新发现或将引导天文学家们用引力透镜、动力学和伽马辐射爆等工具去探测小质量暗晕。“我们的结果预测很大一部分辐射来自那些因为太小而不能形成恒星的超微暗晕。”合作者之一、德国马普天体物理所的合作者西蒙·怀特教授说，“未来的伽马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‘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——可能暗物质并不是我们想象的那样完全黑暗。”