科學家在虛擬宇宙中探測暗物質
新的研究工作揭示了暗物質光暈作為天空中的活躍區域，不僅存在於各個星系中也存在於輻射中——發射碰撞使得在天空中尋找暗物質光暈成為可能。
放大的，對宇宙中暗物質分佈的模擬，也稱為宇宙網。圖中的這些小圓球就是科學家所說的暗物質暈，這是一種在引力作用下形成的結構，為星系的形成提供了條件。圖源：王傑，博塞，哈弗史密松天體物理中心。
一個國際研究團隊充分運用超級計算機，已將可見宇宙中最小塊的暗物質放大。2020年9月2號，《自然》雜誌釋出了一篇經同行評議的文章。研究表示：暗物質暈作為天空中最富活力的部分，不但充斥著整個星系，而且存在於放射性物質中。經過碰撞，我們能確切地，在天空中找到暗物質暈。
暗物質佔宇宙中所有物質的83?對包括星系形成在內的宇宙演化有著重要的作用。暗物質團塊中的氣體冷卻並向中心凝聚，就形成了星系。隨著時間的推移，暗物質團塊在自身引力的作用下抵抗了宇宙本身的膨脹，形成了暗物質暈。最大的暗物質暈可以包含大型的星系團（上百個星系），研究這些星系就可以推斷出暗物質暈本身的特性。最小的暗物質暈內部很可能沒有星系和恆星，也就難以研究，至今為止仍然是迷。
哈弗史密松天體物理中心的索納克·博塞是這項新研究的主要作者之一，他說：“我們從計算機模擬中學到的是，在宇宙中密度較高的區域，暗物質粒子在引力作用下成團結塊，逐漸變成暗物質暈，可以想象成一口有引力的井被暗物質粒子填滿。我們認為宇宙中的每個星系都被擴散分佈的暗物質包圍，根據星系型別的不同，暗物質比發光物質的質量要大10到100倍不等。因為暗物質在所有方向包圍星系，所以我們叫它暗物質暈。”
索納克·博塞是哈佛史密松天體物理中心理論與計算研究所的博後，他利用大型數值模擬來研究宇宙中最大的結構宇宙網，以及星系的演化。圖源，哈佛史密松天體物理中心。
在模擬的宇宙中，科學家可以放大千萬倍來達到足夠的精度，這樣的精度足以在滿月上分辨出一隻跳蚤，有了這樣的精度，科學家就可以把上百個虛擬的暗物質暈畫出富有細節的影象，包括最小的和最大的暗暈。博塞解釋說：
計算機模擬是很有用的，它不僅可以幫我們量化暗物質在宇宙中的分佈，還可以展現出暗物質暈內部結構的細節。科學家對冷暗物質模型中可以形成的各類暗暈的數量和內部結構很有興趣，因為這可以幫我們計算在真實宇宙中探測到暗物質的可能性。
當科學家們在模擬中研究暗暈結構的時候，他們發現了一個驚人的事實：所有的暗暈，無論大小，都有著非常相似的內部結構，中心處密度較大，越往外密度越小。這項研究的主要作者，北京國家天文臺的天文學家王傑說：
一些之前的研究認為，質量非常小的暗暈從中心到外圍的密度漸變會與大質量暗暈非常不同，我們的模擬發現，在非常大的質量範圍內它們實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”視覺化。在暗物質纖維相交的地方，我們可以看到很小的接近球形的暗物質暈，它們的內部結構非常相似，如果我給你看一幅包含星系團的質量巨大（千億倍太陽質量）的暗物質暈的圖片，和一張地球質量的暗物質暈的圖片，你會分不清它們。
北京國家天文臺的天文學家王傑是這項研究的主要作者。圖源：國家天文臺
儘管這項研究給出的暗物質暈影象是計算機模擬，但這些模擬本身就建立在實際觀測資料的基礎上。對天文學家來說，用正確的技術就可以把這項研究複製到真實的夜空中。博塞說:
我們的模擬的初始條件是基於真實的CMB（宇宙微波背景輻射）觀測資料，這些資料由普朗克衛星測得，它能告訴我們宇宙的成分是什麼，以及需要往模擬中放多少暗物質。
在研究過程中，科學家測試了一種暗暈的特徵，這種特徵可能使人們更容易在夜空中找到暗暈：粒子碰撞。現有的理論認為在暗暈中心附近的暗物質粒子可能在對撞的過程中產生高能伽馬輻射，利用望遠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於暗物質粒子的性質。對冷暗物質模型中暗物質的主要候選者弱相互作用大質量粒子（WIMPs，當下最熱門的暗物質本質的理論）來說，伽馬輻射主要產生在GeV（十億電子伏）能級上。有的研究說在費米伽馬射線太空望遠鏡的資料中，在銀心處發現了過剩的GeV能級伽馬射線，這有可能是暗物質或脈衝星產生的。
王傑說，像高能輻射望遠鏡陣列系統（VERITAS） 這樣的地面望遠鏡也可以被用來尋找暗物質碰撞產生的伽馬射線。用望遠鏡指向我們以外的星系也是有幫助的，因為這種伽馬輻射應該在所有的暗物質暈裡都能夠產生。
研究結果為當今和未來的研究者們提供了一個途徑，去更好地瞭解在宇宙之中有什麼，我們能否看見它。博塞說：“
理解暗物質的本質是宇宙學的聖盃。儘管我們知道它主導著整個宇宙中的引力，但我們仍然對它的基本性質知之甚少，比如暗物質粒子的質量，它們與普通物質有什麼相互作用（如果有的話），等等。透過計算機模擬，我們能夠了解它們在宇宙結構形成中的重要作用，比如，我們意識到，如果沒有暗物質，我們的宇宙會看起來一點都不像現在我們能看到的樣子，沒有星系，沒有恆星，沒有行星，因此也沒有生命。這是因為，暗物質就像看不見的骨架結構，把我們周圍的可見宇宙維持在一起。
放大的計算機模擬，暗物質在宇宙中的分佈，也叫宇宙網。小圖中是最高等級的放大，可以看到小小的黃色原點，對應著現今宇宙中能夠出現的地球質量的暗物質暈。儘管它們存在於某些特定區域，但只有在放大數倍之後才能看到它們。這是第一次在計算機模擬中看到這麼小的暗物質暈。圖源：王傑/博塞/史密松天體物理中心。
總結: 中美科學家利用超級計算機在虛擬宇宙中探索暗物質暈，這項研究揭示了暗物質暈作為太空中的活躍區域，不僅有星系，而且充滿了能夠產生輻射的粒子對撞。這類粒子對撞為在真實宇宙中找到暗物質暈提供了可能性。
作者：EarthSky Voices
FY：Astronomical volunteer team
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