八个“放大镜”接力拍摄暗物质晕

中国科学院国家天文台等国内外单位的研究人员，利用中国和欧洲的超级计算机，采用全新的多重放大模拟技术，在目前的标准宇宙学模型下，首次获得了宇宙中全尺寸暗晕内部结构的清晰图像。相关研究成果于9月2日在《自然》杂志上发表。

宇宙中大约85%的物质成分是暗物质，其物质属性与构成恒星、行星和人类世界的普通物质有很大不同。这些暗物质在重力的影响下坍塌，形成的结构被称为暗晕。通过冷却，普通物质的气体聚集在暗晕的中心，从而形成明亮的恒星、星系和整个明亮的世界。

宇宙中质量最大的暗晕是一个包含数百个明亮星系的巨大星系团，其质量大约是太阳的1000亿倍。天文学家已经广泛研究了它们的性质。然而，质量很小的微弱光晕就没那么幸运了。尽管它们数量众多，但人类对它们知之甚少。

“因为它们在整个宇宙的演化历史中一直是‘黑暗的’，我们只能依靠超级计算机通过模拟宇宙的演化来研究这些黑暗的超黑暗光环。”论文作者之一、中国科学院国家天文台研究员高亮说：“为了在整个宇宙背景下研究只有太阳系大小的暗晕内部结构，我们开发了一种全新的技术。”

研究人员花了五年时间在超级计算机的帮助下开发和测试模拟程序，并使用多重放大技术，小质量暗晕的放大倍数成功地超过了30个数量级。“在宇宙的典型区域进行这种超放大模拟需要八个‘放大镜’继电器来放大。放大相当于在月球表面的照片上发现一只跳蚤。”该论文的第一作者和合著者、中国科学院国家天文台研究员王杰做了一个类比。

这些超级放大的模拟使研究人员能够可靠而详细地研究从地球到超星系团的大量暗晕的形成、演化和内部结构。

“人们总是推测，那些小的暗晕应该与我们所熟悉的超大暗晕的内部结构不同，但令人惊奇的是，我们发现所有质量的暗晕实际上都有非常相似的内部结构，即中心致密，向外逐渐稀疏，而大量较小的暗物质团则被包围在它们相对较外层的空间中。”王杰说，如果你不知道尺度，几乎很难区分一个巨大的星团暗晕和一个只有地球大小的超微暗晕。

这些对小质量暗晕内部结构的新认识将使天文学家能够使用各种工具来探测它们，如引力透镜、动力学和伽马辐射爆发的监测。

根据目前的一些理论，大量暗物质粒子将在稠密的暗晕中心相互碰撞，从而湮灭并产生伽马辐射爆发。“我们的结果预测，大部分辐射来自于超微型暗晕，这些暗晕太小，无法形成恒星。”王杰说：“未来的伽马射线观测很可能捕捉到这些辐射信号，这样我们就可以一窥这些宇宙中‘超级矮星’的‘真实内容’。”这将有助于我们验证关于暗物质本质的假设。——暗物质可能不像我们想象的那样‘完全’黑暗。”