你见过暗物质晕吗

本报记者 沈 慧

近日，国际顶级科学期刊《自然》发布了国家天文台王杰研究员领衔的国际研究团队一项重要理论发现。他们利用超级计算机，采用一项全新多重放大模拟技术，在当前标准宇宙学模型下，首次获得宇宙中从最小的类似地球质量大小，到具有最大质量超级星系团的暗晕内部结构清晰图像。

宇宙中，约85%的物质成分是暗物质，其物质属性与组成恒星、行星以及人类世界的普通物质截然不同。这些暗物质受引力塌缩形成的结构体，被称为暗晕。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、星系以及整个光明的世界。

宇宙中，最大质量暗晕是包含数百个亮星系的巨型星系团，其质量约为太阳的百万亿倍，属性已被天文学家广泛研究。由于恒星与星系只能在比太阳重百万倍的暗晕内形成，那些比较小的暗晕在整个宇宙演化历史里，只能一直保持“黑暗”。它们数量极多，人类却对其知之甚少。根据目前流行的暗物质属性模型推测，宇宙中最小暗晕质量可能与地球相当。

“我们只能依赖超级计算机，通过模拟宇宙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介绍，为在整个宇宙背景框架下研究只有太阳系大小暗晕的内部结构，科学家们需要开发一种全新技术。

向着未知出发，来自中国、德国、英国与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，最终使得质量放大倍数跨越30个数量级，即一百万亿亿亿倍。

这一数字意味着什么？“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’接力放大。其放大程度相当于在一张月表图片上找到一只跳蚤。”来自杜伦大学的共同作者卡洛斯·弗兰克教授说，仅这一点，就对科学家模拟原初条件的程序精确度与可靠度提出了巨大挑战。“这一挑战是我们整个研究领域都从未遇到过的。”卡洛斯·弗兰克表示。

守得云开见月明。通过这些超级放大的模拟，研究团队最终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，那些小暗晕应该与熟悉的超大暗晕内部结构不一样。”但令王杰等人惊叹的是，他们发现所有质量暗晕均具有极为相似的内部结构——中心致密，往外逐渐稀疏，大量更小的暗物质团块在相对较外的空间环绕。

“如果不知道比例尺，在图像上很难区分一个巨大星系团暗晕与一个只有地球质量大小的超微暗晕。”王杰说。

这些对小质量暗晕内部结构的认识，将让天文学家们可以利用各种工具去探测它们，比如引力透镜、动力学与伽马辐射爆的监测等。根据目前一些理论推测，大量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西蒙·怀特教授认为，“未来，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——暗物质可能并非‘完全’是黑暗的。”