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    我国学者利用超级计算机全尺度解析暗物质晕内部结构

    日期 2020-09-17   来源:数理科学部   作者:刘强 王杰  【 】   【打印】   【关闭

    图.“超级放大”宇宙模拟里暗物质密度分布示意图(图中展示的是其中的两次放大过程,背景图片里宇宙网格里的节点则是质量为太阳质量的星系团,即 太阳质量,而左下角里第二张放大的图里最小的结构体则为 太阳质量的地球大小的暗晕,其质量跨越约20个等级)

      在国家自然科学基金项目(批准号:11988101、11373029、11873051、11851301)等资助下,中国科学院国家天文台王杰研究员、高亮研究员与英国杜伦大学、德国马普天体物理所和美国哈佛大学的同行合作,利用中国和欧洲的超级计算机,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。相关成果以“20个质量量级上暗物质晕的相似结构(Universal structure of dark matter haloes over a mass range of 20 orders of magnitude)”为题,于2020年9月3日在线发表在《自然》(Nature)期刊上,论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2642-9。

      宇宙中约85%的物质成分是暗物质,其物质属性和组成恒星、行星等普通物质截然不同。气体通过冷却、聚集于暗物质团块——暗物质晕的中心,从而形成璀璨的星系。天文学家可以通过大质量暗晕内部星系和气体的性质来推测其结构。但对于不能形成星系的小质量暗晕,一直以来没有任何手段去了解它们。它们在整个宇宙演化历史里一直保持“黑暗”。它们数量极多,人类却对其知之甚少。根据目前流行暗物质属性模型推测,宇宙中最小的暗晕质量可能和地球相当。

      该团队耗时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,质量放大倍数范围跨越10到30个数量级。这些超大放大模拟使得该团队详尽研究了从地球到超级星系团质量暗晕的形成、演化以及内部结构。令人惊叹的是,他们发现所有质量的暗晕均具有极为相似的内部结构——中心致密、往外逐渐稀疏、有大量的更小的暗物质团块在其相对较外的空间环绕。若不留意标度尺,则几乎无法在图像上区分一个巨大的星系团暗晕和一个只是一部分太阳质量的超微暗晕。

      该工作将为验证暗物质本质的一个假设——暗物质并不是“完全”的暗——提供可能: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能爆,这些超级模拟可以预测来自不同质量暗晕的伽玛辐射的强度,大部分辐射来自于那些因为太小而不能形成恒星的小质量暗晕,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的“超级小矮人”的“真容”。