中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)為了解暗物質(zhì)本質(zhì)提供新線索

中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢(mèng)宇）記者近日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校王慧元教授研究團(tuán)隊(duì)首次在觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)彌散矮星系超強(qiáng)的成團(tuán)性，證實(shí)了宇宙中神秘的“暗物質(zhì)暈集聚偏置”現(xiàn)象。這項(xiàng)研究為理解暗物質(zhì)本質(zhì)、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與星系協(xié)同演化提供了重要線索。北京時(shí)間5月21日，該項(xiàng)成果正式發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）。

暗物質(zhì)是一種看不見(jiàn)、不發(fā)光的神秘物質(zhì)，它通過(guò)引力悄然塑造著宇宙的結(jié)構(gòu)，主導(dǎo)著星系的形成與演化。暗物質(zhì)粒子在引力作用下聚集，形成暗物質(zhì)暈（暗暈），星系在暗暈的引力勢(shì)阱中形成并演化。暗暈在宇宙大尺度上的分布并不均勻，而是呈現(xiàn)“抱團(tuán)”分布。這種“抱團(tuán)”性不僅與質(zhì)量相關(guān)，也在固定質(zhì)量下與形成時(shí)間、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等多重變量呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。這種現(xiàn)象被稱為暗暈集聚偏置，它為我們理解宇宙大尺度結(jié)構(gòu)及星系的形成提供了關(guān)鍵線索。

研究團(tuán)隊(duì)分析斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目(SDSS)光學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)，有了超乎預(yù)期的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)他們將目光聚焦在矮星系——這類(lèi)質(zhì)量小、光度低、通常由暗物質(zhì)主導(dǎo)的星系群體上時(shí)，發(fā)現(xiàn)彌散的矮星系更喜歡“抱團(tuán)”（成團(tuán)性較高），而致密矮星系更喜歡“單干”（成團(tuán)性較低）?！斑@與以往根據(jù)大質(zhì)量星系樣本所得的經(jīng)驗(yàn)完全相反，通常面密度越高的星系更喜歡聚集在一起?！蓖趸墼獔F(tuán)隊(duì)很快意識(shí)到，這可能是一個(gè)非常罕見(jiàn)和珍貴的發(fā)現(xiàn)。

盡管宇宙結(jié)構(gòu)形成理論早已預(yù)言了“暗暈集聚偏置”現(xiàn)象的存在，但長(zhǎng)期以來(lái)并未從觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)確鑿的證據(jù)支持。此次研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)，首次為這一預(yù)言提供了高置信度的觀測(cè)支持。

王慧元團(tuán)隊(duì)還獨(dú)立發(fā)展了一種宇宙學(xué)模擬方法——ELUCID數(shù)值模擬重構(gòu)技術(shù)，能夠精確再現(xiàn)真實(shí)宇宙中暗暈分布及其演化歷史。利用該技術(shù)，他們進(jìn)一步解釋了上述現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，年老的暗暈在宇宙中的空間分布與彌散矮星系類(lèi)似，也更喜歡“抱團(tuán)”。這表明，矮星系的形成與暗暈的“年齡”之間有著緊密聯(lián)系。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)一種考慮暗物質(zhì)自相互作用的替代模型（SIDM），可以很好地解釋暗暈的“年齡”和星系密度的關(guān)聯(lián)。在年老暗暈中，暗物質(zhì)自相互作用的時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，過(guò)程中產(chǎn)生的“熱量”注入暗暈核心，使其核心結(jié)構(gòu)膨脹，進(jìn)而顯著削弱暗暈中心引力勢(shì)阱，促使星系密度降低?！拔覀兊墓ぷ鞅砻鳎琒IDM模型在解釋矮星系的形成機(jī)制及其在大尺度上的成團(tuán)分布特征具有獨(dú)特的理論優(yōu)勢(shì)，這對(duì)目前主流的星系形成模型及冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型均提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。”王慧元說(shuō)。

王慧元介紹，此次研究不僅挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的星系形成模型，還為理解暗物質(zhì)本質(zhì)提供了新線索。未來(lái)通過(guò)中國(guó)科大及紫臺(tái)聯(lián)合建設(shè)的地面大視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡墨子有望擴(kuò)大研究樣本，進(jìn)一步對(duì)彌散矮星系的“集聚偏置”及暗物質(zhì)性質(zhì)展開(kāi)研究。