記者5月21日從中國科大獲悉，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王慧元教授研究團隊首次在觀測中發(fā)現(xiàn)彌散矮星系超強的成團性，證實了宇宙中神秘的“暗物質(zhì)暈集聚偏置(halo assembly bias)”現(xiàn)象。這項研究為理解暗物質(zhì)本質(zhì)、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與星系協(xié)同演化提供了重要線索。北京時間5月21日，該項成果正式發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。
暗物質(zhì)是一種看不見、不發(fā)光的神秘物質(zhì)，它通過引力悄然塑造著宇宙的結(jié)構(gòu)，主導(dǎo)著星系的形成與演化。暗物質(zhì)粒子在引力作用下聚集，形成暗物質(zhì)暈(暗暈)，星系在暗暈的引力勢阱中形成并演化。暗暈在宇宙大尺度上的分布并不均勻，而是呈現(xiàn)“抱團”分布。這種“抱團”性不僅與質(zhì)量相關(guān)，也在固定質(zhì)量下與形成時間、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等多重變量呈現(xiàn)統(tǒng)計相關(guān)性。這種現(xiàn)象被稱為暗暈集聚偏置，它為我們理解宇宙大尺度結(jié)構(gòu)及星系的形成提供了關(guān)鍵線索。
研究團隊分析斯隆數(shù)字巡天項目(SDSS)光學(xué)數(shù)據(jù)時，有了超乎預(yù)期的發(fā)現(xiàn)。當他們將目光聚焦在矮星系——這類質(zhì)量小、光度低、通常由暗物質(zhì)主導(dǎo)的星系群體上時，發(fā)現(xiàn)彌散的矮星系更喜歡“抱團”(成團性較高)，而致密矮星系更喜歡“單干”(成團性較低)。“這與以往根據(jù)大質(zhì)量星系樣本所得的經(jīng)驗完全相反，通常面密度越高的星系更喜歡聚集在一起。”王慧元團隊很快意識到，這可能是一個非常罕見和珍貴的發(fā)現(xiàn)。
盡管宇宙結(jié)構(gòu)形成理論早已預(yù)言了“暗暈集聚偏置”現(xiàn)象的存在，但長期以來并未從觀測中發(fā)現(xiàn)確鑿的證據(jù)支持。此次研究團隊的發(fā)現(xiàn)，首次為這一預(yù)言提供了高置信度的觀測支持。
王慧元團隊還獨立發(fā)展了一種宇宙學(xué)模擬方法——ELUCID數(shù)值模擬重構(gòu)技術(shù)，能夠精確再現(xiàn)真實宇宙中暗暈分布及其演化歷史。利用該技術(shù)，他們進一步解釋了上述現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，年老的暗暈在宇宙中的空間分布與彌散矮星系類似，也更喜歡“抱團”。這表明，矮星系的形成與暗暈的“年齡”之間有著緊密聯(lián)系。
雖然標準冷暗物質(zhì)模型(CDM)是當前解釋宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成的主流理論框架，然而在該框架下，研究團隊論證了多種星系形成的物理機制，發(fā)現(xiàn)均無法有效解釋這一新的發(fā)現(xiàn)。研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)一種考慮暗物質(zhì)自相互作用的替代模型(SIDM)，可以很好地解釋暗暈的“年齡”和星系密度的關(guān)聯(lián)。在年老暗暈中，暗物質(zhì)自相互作用的時間相對長，過程中產(chǎn)生的“熱量”注入暗暈核心，使其核心結(jié)構(gòu)膨脹，進而顯著削弱暗暈中心引力勢阱，促使星系密度降低。“我們的工作表明，SIDM模型在解釋矮星系的形成機制及其在大尺度上的成團分布特征具有獨特的理論優(yōu)勢，這對目前主流的星系形成模型及冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型均提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。”王慧元說。
王慧元介紹，此次研究不僅挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的星系形成模型，還為理解暗物質(zhì)本質(zhì)提供了新線索。天文學(xué)家距離揭開暗物質(zhì)的神秘面紗又近了一步。未來通過中國科大及紫臺聯(lián)合建設(shè)的地面大視場巡天望遠鏡墨子(The Wide Field Survey Telescope)有望擴大研究樣本，進一步對彌散矮星系的“集聚偏置”及暗物質(zhì)性質(zhì)展開研究。
《自然》雜志審稿人稱贊該成果是“一個原創(chuàng)且非常讓人驚訝(因此有重要意義)的觀測結(jié)果”(This is an original and very surprising (and thus significant) result)，“通過星系成團性測試暗物質(zhì)自相互作用是一個嶄新的嘗試，可能具有持續(xù)的影響”(Testing predictions of dark matter self-interactions through galaxy clustering is a novel approach and could have a lasting impact)。
責(zé)任編輯：陸迪
