暗物质研究取得新进展 对暗物质的探索还缺少什么？

在宇宙学中，暗物质指无法透过电磁波的观测进行研究，它不与电磁力产生作用，人们只能透过引力产生的效应得知，而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。

我们对宇宙的认知和喜爱，及其适用的所有物理定律，仅仅适用于宇宙的百分之四。宇宙中的绝大多数质量都不见了，隐藏在一些如组成星系、恒星、行星和人类的可见物质中，以某种奇特的形式隐藏着，但未能发现。

美国宇航局认为，质量缺少的问题已经到了不仅仅是一个问题，这是一种尴尬，是理解星系结构、星系团簇的演化以及宇宙最终命运之类的障碍。

令天文学家感到惊讶和震惊的是，“由于无线电和光学观测，将对恒星和气体的速度测量扩展到了漩涡星系的外部区域，他们发现恒星和气体云在同一时间移动速度越快，星系质量的大部分就不会集中到星系的中心，而是必须分布在可见星系周围的黑暗而看不见的晕环中。”如图所示的照片中，微弱地看到的这些星系的外部区域实际上可能包含了大部分暗物质。

巨大的的暗物质晕环

中国科学院国家天文台研究员王杰领导的一国际研究团队指出，最大的暗物质晕环可包含巨大的银河星团，其重量是我们太阳的四倍，据尚未报道的研究推测：最小的暗物质光环的质量约为地球质量。

最深的聚焦——我们太阳系体积的500倍

下图所示的暗物质密度图通过模拟计算出，该模拟测量的每一侧均为24亿光年。中间的正方形（右上）的距离不到一百万光年。最小的正方形（左下角）是最深的聚焦：它只有783光年，相当于太阳系大小的500倍。在中间的正方形（右上角），最大的暗物质光环的质量类似于银河系星团的质量（一百万亿倍于太阳的质量）。在最小的正方形（右下角）中，最小的清晰可见光环具有与地球相当的质量（为太阳质量的0.000003倍）。

暗物质模拟图

该研究团队以中国科学院国家天文台、德国马克斯·普朗克天体物理研究所、哈佛大学天体物理中心、英国杜伦大学（Durham University）等的天文物理学家组成，历时五年时间进行了开发、测试和在宇宙的典型区域上聚焦“放大”。这种聚焦“放大”到什么样的程度？就如在月球表面的图像上聚焦“放大”看一只跳蚤！

这一超级模拟使用了中国天河2超级计算机、英国DiRAC高性能计算设施的宇宙机超级计算机（Cosmology Machine supercomputer）、德国慕尼黑的超级计算机来完成。

这项研究表明，这样的小暗物质晕环非常多，其中包含了宇宙中所有暗物质的很大一部分。但是，它们在整个宇宙历史中一直保持“黑暗”，因为恒星和星系仅在晕环中生长，其质量是太阳的百万倍以上。王杰说：“我们只能通过在大型超级计算机中模拟宇宙的演化来研究这些小晕环。”

晕环太小，无法容纳星星

杜伦大学计算宇宙学研究所物理学教授、卡洛斯·弗兰克（Carlos Frenk）说， “通过放大这些相对较小的暗物质晕环，我们可以计算出预期来自不同尺寸晕环的辐射量，”“这些辐射大部分将由暗物质晕环发出，而暗物质晕环太小而无法容纳恒星，未来的伽玛射线观测站可能检测到这些辐射，从而使这些小物体单独或整体成为“可见”的。这将证实暗物质的假设性质，毕竟暗物质可能并不完全是“暗”的。”

该研究使团队能够研究介于地球和大型星系团之间的所有质量的暗物质光环的结构。在数量上，缩放范围覆盖10到10^30的质量范围，这相当于太阳中的公斤数量。

微观细节中的虚拟宇宙

通过以这种微观细节放大虚拟宇宙，研究人员能够研究质量从地球到大型星系团的暗物质晕环的结构。

王杰说：“令人惊讶的是，我们发现各种大小的光环都具有非常相似的内部结构，即它们的中央非常密集，逐渐散布开来，并且在其外围区域有较小的团块。” “如果没有一个度量尺度，几乎不可能从质量只有太阳的一小部分分辨出一个巨大星系的暗物质晕环的图像。”

暗物质粒子会在晕环中心附近碰撞，并且根据一些理论，可能会在高能伽马辐射爆中湮灭。

弗兰克说，“通过放大这些相对较小的暗物质晕环，我们可以计算出预期来自不同尺寸晕环的辐射量，” 这些辐射的大部分将由暗物质晕环发出，暗物质晕环太小而无法容纳恒星，未来的伽马射线观测站可能能够检测到这些辐射，从而使这些小物体单独或集体“可见”。

对暗物质的探索还缺少什么？

著名宇宙学家、马克斯·普朗克天体物理研究所所长、西蒙·怀特（Simon White）表示：“我们期望这样的小暗物质晕环会非常多，其中包含宇宙中所有暗物质的很大一部分，但它们的大部分在整个宇宙历史中保持暗态，因为恒星和星系仅在晕圈中生长，其质量是太阳的百万倍以上。我们的研究为这些小晕环提供了启示”。

暗物质研究取得了新进展，对暗物质的探索还缺少什么？怀特说：“我们寻求进一步了解什么是暗物质及其在宇宙演化中的作用。”

相关研究成果发表在前不久的《自然》杂志上。

参考：J. Wang, et al, Universal structure of dark matter haloes over a mass range of 20 orders of magnitude. Nature（2020）