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科学家探索虚拟宇宙中的暗物质

作者:jinxijing发布时间:2020-09-14分类:科技资讯浏览:31


导读:新的研究工作揭示了暗物质光晕作为天空中的活跃区域,不仅存在于各个星系中也存在于辐射中——发射碰撞使得在天空中寻找暗物质光晕成为可能。放大的,对宇宙中暗物质分布的模拟,也称为宇宙网。图中的这些小圆球就是科学家所说的暗物质晕,这是一种在引力作用下形成的结构,为星系的形成提供了条件。图源:王杰,博塞,哈弗史密松天体物理中心。一个国际研究团队充分运用超级计算机,已将可见宇宙中最小块的暗物质放大。2020年9月2号,《自然》杂志发布了一篇经同行评议的文章。

新的研究工作揭示了暗物质光晕作为天空中的活跃区域,不仅存在于各个星系中也存在于辐射中——发射碰撞使得在天空中寻找暗物质光晕成为可能。

放大的,对宇宙中暗物质分布的模拟,也称为宇宙网。图中的这些小圆球就是科学家所说的暗物质晕,这是一种在引力作用下形成的结构,为星系的形成提供了条件。图源:王杰,博塞,哈弗史密松天体物理中心。

一个国际研究团队充分运用超级计算机,已将可见宇宙中最小块的暗物质放大。2020年9月2号,《自然》杂志发布了一篇经同行评议的文章。研究表示:暗物质晕作为天空中最富活力的部分,不但充斥着整个星系,而且存在于放射性物质中。经过碰撞,我们能确切地,在天空中找到暗物质晕。

暗物质占宇宙中所有物质的83%,对包括星系形成在内的宇宙演化有着重要的作用。暗物质团块中的气体冷却并向中心凝聚,就形成了星系。随着时间的推移,暗物质团块在自身引力的作用下抵抗了宇宙本身的膨胀,形成了暗物质晕。最大的暗物质晕可以包含大型的星系团(上百个星系),研究这些星系就可以推断出暗物质晕本身的特性。最小的暗物质晕内部很可能没有星系和恒星,也就难以研究,至今为止仍然是迷。

哈弗史密松天体物理中心的索纳克·博塞是这项新研究的主要作者之一,他说:"我们从计算机模拟中学到的是,在宇宙中密度较高的区域,暗物质粒子在引力作用下成团结块,逐渐变成暗物质晕,可以想象成一口有引力的井被暗物质粒子填满。我们认为宇宙中的每个星系都被扩散分布的暗物质包围,根据星系类型的不同,暗物质比发光物质的质量要大10到100倍不等。因为暗物质在所有方向包围星系,所以我们叫它暗物质晕。"

索纳克·博塞是哈佛史密松天体物理中心理论与计算研究所的博后,他利用大型数值模拟来研究宇宙中最大的结构宇宙网,以及星系的演化。图源,哈佛史密松天体物理中心。

在模拟的宇宙中,科学家可以放大千万倍来达到足够的精度,这样的精度足以在满月上分辨出一只跳蚤,有了这样的精度,科学家就可以把上百个虚拟的暗物质晕画出富有细节的图像,包括最小的和最大的暗晕。博塞解释说:

计算机模拟是很有用的,它不仅可以帮我们量化暗物质在宇宙中的分布,还可以展现出暗物质晕内部结构的细节。科学家对冷暗物质模型中可以形成的各类暗晕的数量和内部结构很有兴趣,因为这可以帮我们计算在真实宇宙中探测到暗物质的可能性。

当科学家们在模拟中研究暗晕结构的时候,他们发现了一个惊人的事实:所有的暗晕,无论大小,都有着非常相似的内部结构,中心处密度较大,越往外密度越小。这项研究的主要作者,北京国家天文台的天文学家王杰说:

一些之前的研究认为,质量非常小的暗晕从中心到外围的密度渐变会与大质量暗晕非常不同,我们的模拟发现,在非常大的质量范围内它们实际上看上去非常相似,这十分令人惊讶。

博塞说,我们的模拟能够把"宇宙网"可视化。在暗物质纤维相交的地方,我们可以看到很小的接近球形的暗物质晕,它们的内部结构非常相似,如果我给你看一幅包含星系团的质量巨大(千亿倍太阳质量)的暗物质晕的图片,和一张地球质量的暗物质晕的图片,你会分不清它们。

北京国家天文台的天文学家王杰是这项研究的主要作者。图源:国家天文台

尽管这项研究给出的暗物质晕图像是计算机模拟,但这些模拟本身就建立在实际观测数据的基础上。对天文学家来说,用正确的技术就可以把这项研究复制到真实的夜空中。博塞说:

我们的模拟的初始条件是基于真实的CMB(宇宙微波背景辐射)观测数据,这些数据由普朗克卫星测得,它能告诉我们宇宙的成分是什么,以及需要往模拟中放多少暗物质。

在研究过程中,科学家测试了一种暗晕的特征,这种特征可能使人们更容易在夜空中找到暗晕:粒子碰撞。现有的理论认为在暗晕中心附近的暗物质粒子可能在对撞的过程中产生高能伽马辐射,利用望远镜和伽马射线就能探测到这些暗晕。博塞说:

到底能怎样探测到这种伽马辐射取决于暗物质粒子的性质。对冷暗物质模型中暗物质的主要候选者弱相互作用大质量粒子(WIMPs,当下最热门的暗物质本质的理论)来说,伽马辐射主要产生在GeV(十亿电子伏)能级上。有的研究说在费米伽马射线太空望远镜的数据中,在银心处发现了过剩的GeV能级伽马射线,这有可能是暗物质或脉冲星产生的。

王杰说,像高能辐射望远镜阵列系统(VERITAS)这样的地面望远镜也可以被用来寻找暗物质碰撞产生的伽马射线。用望远镜指向我们以外的星系也是有帮助的,因为这种伽马辐射应该在所有的暗物质晕里都能够产生。

研究结果为当今和未来的研究者们提供了一个途径,去更好地了解在宇宙之中有什么,我们能否看见它。博塞说:"

理解暗物质的本质是宇宙学的圣杯。尽管我们知道它主导着整个宇宙中的引力,但我们仍然对它的基本性质知之甚少,比如暗物质粒子的质量,它们与普通物质有什么相互作用(如果有的话),等等。通过计算机模拟,我们能够了解它们在宇宙结构形成中的重要作用,比如,我们意识到,如果没有暗物质,我们的宇宙会看起来一点都不像现在我们能看到的样子,没有星系,没有恒星,没有行星,因此也没有生命。这是因为,暗物质就像看不见的骨架结构,把我们周围的可见宇宙维持在一起。

放大的计算机模拟,暗物质在宇宙中的分布,也叫宇宙网。小图中是最高等级的放大,可以看到小小的黄色原点,对应着现今宇宙中能够出现的地球质量的暗物质晕。尽管它们存在于某些特定区域,但只有在放大数倍之后才能看到它们。这是第一次在计算机模拟中看到这么小的暗物质晕。图源:王杰/博塞/史密松天体物理中心。

总结:中美科学家利用超级计算机在虚拟宇宙中探索暗物质晕,这项研究揭示了暗物质晕作为太空中的活跃区域,不仅有星系,而且充满了能够产生辐射的粒子对撞。这类粒子对撞为在真实宇宙中找到暗物质晕提供了可能性。

作者:EarthSky Voices

FY:Astronomical volunteer team

标签:暗物质