你見過暗物質暈嗎

本文轉自【經濟日報】；

本報記者 沈 慧

近日，國際頂級科學期刊《自然》釋出了國家天文臺王傑研究員領銜的國際研究團隊一項重要理論發現。他們利用超級計算機，採用一項全新多重放大模擬技術，在當前標準宇宙學模型下，首次獲得宇宙中從最小的類似地球質量大小，到具有最大質量超級星系團的暗暈內部結構清晰影象。

宇宙中，約85%的物質成分是暗物質，其物質屬性與組成恆星、行星以及人類世界的普通物質截然不同。這些暗物質受引力塌縮形成的結構體，被稱為暗暈。普通物質的氣體透過冷卻、聚集於暗暈中心，從而形成璀璨的恆星、星系以及整個光明的世界。

宇宙中，最大質量暗暈是包含數百個亮星系的巨型星系團，其質量約為太陽的百萬億倍，屬性已被天文學家廣泛研究。由於恆星與星系只能在比太陽重百萬倍的暗暈內形成，那些比較小的暗暈在整個宇宙演化歷史裡，只能一直保持“黑暗”。它們數量極多，人類卻對其知之甚少。根據目前流行的暗物質屬性模型推測，宇宙中最小暗暈質量可能與地球相當。

“我們只能依賴超級計算機，透過模擬宇宙演化來研究這些黑暗的超微暗暈。”來自國家天文臺的合作者高亮介紹，為在整個宇宙背景框架下研究只有太陽系大小暗暈的內部結構，科學家們需要開發一種全新技術。

向著未知出發，來自中國、德國、英國與美國的國際研究團隊耗時5年，開發、測試模擬程式，並運行了一系列超級放大宇宙模擬，最終使得質量放大倍數跨越30個數量級，即一百萬億億億倍。

這一數字意味著什麼？“在宇宙中一個典型區域進行的這一超級放大模擬，需要利用8個‘放大鏡’接力放大。其放大程度相當於在一張月表圖片上找到一隻跳蚤。”來自杜倫大學的共同作者卡洛斯·弗蘭克教授說，僅這一點，就對科學家模擬原初條件的程式精確度與可靠度提出了巨大挑戰。“這一挑戰是我們整個研究領域都從未遇到過的。”卡洛斯·弗蘭克表示。

守得雲開見月明。透過這些超級放大的模擬，研究團隊最終得以可靠並詳盡地研究從地球到超級星系團質量暗暈的形成、演化以及內部結構。

“人們一直猜測，那些小暗暈應該與熟悉的超大暗暈內部結構不一樣。”但令王傑等人驚歎的是，他們發現所有質量暗暈均具有極為相似的內部結構——中心緻密，往外逐漸稀疏，大量更小的暗物質團塊在相對較外的空間環繞。

“如果不知道比例尺，在影象上很難區分一個巨大星系團暗暈與一個只有地球質量大小的超微暗暈。”王傑說。

這些對小質量暗暈內部結構的認識，將讓天文學家們可以利用各種工具去探測它們，比如引力透鏡、動力學與伽馬輻射爆的監測等。根據目前一些理論推測，大量暗物質粒子會在緻密的暗暈中心相互碰撞，從而湮滅產生伽馬輻射爆。

“我們的結果預測很大一部分輻射來自於那些因為太小而不能形成恆星的超微暗暈。”來自德國馬普天體物理所的合作者西蒙·懷特教授認為，“未來，伽馬射線觀測極可能捕捉到這些輻射訊號，從而讓我們一窺這些宇宙中‘超級小矮人’的‘真容’。這將幫助我們驗證關於暗物質本質的假設——暗物質可能並非‘完全’是黑暗的。”