新的研究工作揭示了暗物質(zhì)光暈作為天空中的活躍區(qū)域，不僅存在于各個(gè)星系中也存在于輻射中——發(fā)射碰撞使得在天空中尋找暗物質(zhì)光暈成為可能。

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放大的，對宇宙中暗物質(zhì)分布的模擬，也稱為宇宙網(wǎng)。圖中的這些小圓球就是科學(xué)家所說的暗物質(zhì)暈，這是一種在引力作用下形成的結(jié)構(gòu)，為星系的形成提供了條件。圖源：王杰，博塞，哈弗史密松天體物理中心。

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一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)充分運(yùn)用超級計(jì)算機(jī)，已將可見宇宙中最小塊的暗物質(zhì)放大。2020年9月2號(hào)，《自然》雜志發(fā)布了一篇經(jīng)同行評議的文章。研究表示：暗物質(zhì)暈作為天空中最富活力的部分，不但充斥著整個(gè)星系，而且存在于放射性物質(zhì)中。經(jīng)過碰撞，我們能確切地，在天空中找到暗物質(zhì)暈。

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暗物質(zhì)占宇宙中所有物質(zhì)的83%，對包括星系形成在內(nèi)的宇宙演化有著重要的作用。暗物質(zhì)團(tuán)塊中的氣體冷卻并向中心凝聚，就形成了星系。隨著時(shí)間的推移，暗物質(zhì)團(tuán)塊在自身引力的作用下抵抗了宇宙本身的膨脹，形成了暗物質(zhì)暈。最大的暗物質(zhì)暈可以包含大型的星系團(tuán)（上百個(gè)星系），研究這些星系就可以推斷出暗物質(zhì)暈本身的特性。最小的暗物質(zhì)暈內(nèi)部很可能沒有星系和恒星，也就難以研究，至今為止仍然是迷。

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哈弗史密松天體物理中心的索納克·博塞是這項(xiàng)新研究的主要作者之一，他說：“我們從計(jì)算機(jī)模擬中學(xué)到的是，在宇宙中密度較高的區(qū)域，暗物質(zhì)粒子在引力作用下成團(tuán)結(jié)塊，逐漸變成暗物質(zhì)暈，可以想象成一口有引力的井被暗物質(zhì)粒子填滿。我們認(rèn)為宇宙中的每個(gè)星系都被擴(kuò)散分布的暗物質(zhì)包圍，根據(jù)星系類型的不同，暗物質(zhì)比發(fā)光物質(zhì)的質(zhì)量要大10到100倍不等。因?yàn)榘滴镔|(zhì)在所有方向包圍星系，所以我們叫它暗物質(zhì)暈?！?/span>

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索納克·博塞是哈佛史密松天體物理中心理論與計(jì)算研究所的博后，他利用大型數(shù)值模擬來研究宇宙中最大的結(jié)構(gòu)宇宙網(wǎng)，以及星系的演化。圖源，哈佛史密松天體物理中心。

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在模擬的宇宙中，科學(xué)家可以放大千萬倍來達(dá)到足夠的精度，這樣的精度足以在滿月上分辨出一只跳蚤，有了這樣的精度，科學(xué)家就可以把上百個(gè)虛擬的暗物質(zhì)暈畫出富有細(xì)節(jié)的圖像，包括最小的和最大的暗暈。博塞解釋說：

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計(jì)算機(jī)模擬是很有用的，它不僅可以幫我們量化暗物質(zhì)在宇宙中的分布，還可以展現(xiàn)出暗物質(zhì)暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。科學(xué)家對冷暗物質(zhì)模型中可以形成的各類暗暈的數(shù)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)很有興趣，因?yàn)檫@可以幫我們計(jì)算在真實(shí)宇宙中探測到暗物質(zhì)的可能性。

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當(dāng)科學(xué)家們在模擬中研究暗暈結(jié)構(gòu)的時(shí)候，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的事實(shí)：所有的暗暈，無論大小，都有著非常相似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，中心處密度較大，越往外密度越小。這項(xiàng)研究的主要作者，北京國家天文臺(tái)的天文學(xué)家王杰說：

一些之前的研究認(rèn)為，質(zhì)量非常小的暗暈從中心到外圍的密度漸變會(huì)與大質(zhì)量暗暈非常不同，我們的模擬發(fā)現(xiàn)，在非常大的質(zhì)量范圍內(nèi)它們實(shí)際上看上去非常相似，這十分令人驚訝。

博塞說，我們的模擬能夠把“宇宙網(wǎng)”可視化。在暗物質(zhì)纖維相交的地方，我們可以看到很小的接近球形的暗物質(zhì)暈，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常相似，如果我給你看一幅包含星系團(tuán)的質(zhì)量巨大（千億倍太陽質(zhì)量）的暗物質(zhì)暈的圖片，和一張地球質(zhì)量的暗物質(zhì)暈的圖片，你會(huì)分不清它們。

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北京國家天文臺(tái)的天文學(xué)家王杰是這項(xiàng)研究的主要作者。圖源：國家天文臺(tái)

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盡管這項(xiàng)研究給出的暗物質(zhì)暈圖像是計(jì)算機(jī)模擬，但這些模擬本身就建立在實(shí)際觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。對天文學(xué)家來說，用正確的技術(shù)就可以把這項(xiàng)研究復(fù)制到真實(shí)的夜空中。博塞說:

我們的模擬的初始條件是基于真實(shí)的CMB（宇宙微波背景輻射）觀測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由普朗克衛(wèi)星測得，它能告訴我們宇宙的成分是什么，以及需要往模擬中放多少暗物質(zhì)。

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在研究過程中，科學(xué)家測試了一種暗暈的特征，這種特征可能使人們更容易在夜空中找到暗暈：粒子碰撞?，F(xiàn)有的理論認(rèn)為在暗暈中心附近的暗物質(zhì)粒子可能在對撞的過程中產(chǎn)生高能伽馬輻射，利用望遠(yuǎn)鏡和伽馬射線就能探測到這些暗暈。博塞說：

到底能怎樣探測到這種伽馬輻射取決于暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)。對冷暗物質(zhì)模型中暗物質(zhì)的主要候選者弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMPs，當(dāng)下最熱門的暗物質(zhì)本質(zhì)的理論）來說，伽馬輻射主要產(chǎn)生在GeV（十億電子伏）能級上。有的研究說在費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)中，在銀心處發(fā)現(xiàn)了過剩的GeV能級伽馬射線，這有可能是暗物質(zhì)或脈沖星產(chǎn)生的。

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王杰說，像高能輻射望遠(yuǎn)鏡陣列系統(tǒng)（VERITAS） 這樣的地面望遠(yuǎn)鏡也可以被用來尋找暗物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的伽馬射線。用望遠(yuǎn)鏡指向我們以外的星系也是有幫助的，因?yàn)檫@種伽馬輻射應(yīng)該在所有的暗物質(zhì)暈里都能夠產(chǎn)生。

研究結(jié)果為當(dāng)今和未來的研究者們提供了一個(gè)途徑，去更好地了解在宇宙之中有什么，我們能否看見它。博塞說：“

理解暗物質(zhì)的本質(zhì)是宇宙學(xué)的圣杯。盡管我們知道它主導(dǎo)著整個(gè)宇宙中的引力，但我們?nèi)匀粚λ幕拘再|(zhì)知之甚少，比如暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量，它們與普通物質(zhì)有什么相互作用（如果有的話），等等。通過計(jì)算機(jī)模擬，我們能夠了解它們在宇宙結(jié)構(gòu)形成中的重要作用，比如，我們意識(shí)到，如果沒有暗物質(zhì)，我們的宇宙會(huì)看起來一點(diǎn)都不像現(xiàn)在我們能看到的樣子，沒有星系，沒有恒星，沒有行星，因此也沒有生命。這是因?yàn)?，暗物質(zhì)就像看不見的骨架結(jié)構(gòu)，把我們周圍的可見宇宙維持在一起。

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放大的計(jì)算機(jī)模擬，暗物質(zhì)在宇宙中的分布，也叫宇宙網(wǎng)。小圖中是最高等級的放大，可以看到小小的黃色原點(diǎn)，對應(yīng)著現(xiàn)今宇宙中能夠出現(xiàn)的地球質(zhì)量的暗物質(zhì)暈。盡管它們存在于某些特定區(qū)域，但只有在放大數(shù)倍之后才能看到它們。這是第一次在計(jì)算機(jī)模擬中看到這么小的暗物質(zhì)暈。圖源：王杰/博塞/史密松天體物理中心。

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總結(jié): 中美科學(xué)家利用超級計(jì)算機(jī)在虛擬宇宙中探索暗物質(zhì)暈，這項(xiàng)研究揭示了暗物質(zhì)暈作為太空中的活躍區(qū)域，不僅有星系，而且充滿了能夠產(chǎn)生輻射的粒子對撞。這類粒子對撞為在真實(shí)宇宙中找到暗物質(zhì)暈提供了可能性。

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作者：?EarthSky Voices

FY：Astronomical volunteer team

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