如同在月球照片上找到一隻跳蚤,科學家在超算中讓暗物質「現形」

天空之城 2020/09/29 檢舉 我要評論

現有的宇宙學理論認為宇宙的構成主要有物質,暗物質和暗能量構成,我們常說的物質為可見物質,只占宇宙總品質的4%左右,暗物質占了26.8%,剩下的就都是暗能量了。

暗物質雖然比可見物質多了6倍多,但是由於非常難觀測,所以它在宇宙中的狀態一直不為人所知,不過近日媒體報導我國科學家首次獲得宇宙全尺寸按暈內部結構高清圖,這又是怎麼回事呢?

關於暗物質是由什麼構成的?暗物質團的結構是什麼樣的?還沒有什麼望遠鏡能觀察到。不過科學家們可以通過超級電腦建立的宇宙模型上類比出來。9月2日時,發表了由中國科學院國家天文臺王傑研究員領銜、中德英美等天文學家組成的國際合作團隊針對宇宙暗物質分佈與結構圖的研究成果,他們在當前標準宇宙學模型下建立了類比程式,利用中國天河2號和歐洲英法兩國的的超級電腦,採用一項全新的多重放大模擬技術,歷時5年模擬研究,首次獲得了宇宙中從最小的類似地球品質大小到具有最大品質的超級星系團的暗物質暈(暗暈)內部結構的清晰圖像,全尺度解析了暗物質暈的內部結構。

模擬發現宇宙中最大品質的暗物質暈是包含數百個亮星系的巨型星系團,其品質大約是太陽的數百萬億倍,理論認為恒星和星系只能在比太陽品質大百萬倍的暗暈裡形成,太小的暗物質暈中無法形成可見物質,所以對於那些小於太陽百萬倍的暗暈,它們在整個宇宙演化歷史中,一直到今天都一直保持著「黑暗」,而且天文學家認為這樣的暗物質暈數量極多,目前我們對其所知甚少,而且模型推演認為宇宙中最小的暗物質暈總品質只像地球這麼大。

在真實宇宙中,暗物質暈基本不可見。為了在整個宇宙的背景框架下研究只有太陽系大小暗暈的內部結構,該團隊對其進行了放大模擬,放大倍數跨越30個數量級(即100萬億億億倍),這樣可以詳盡地研究從地球到超級星系團品質暗物質暈的形成、演化以及內部結構。而在某一個典型區域中,則需要利用8個「放大鏡」接力去放大。其放大程度相當於在一張月球大小的圖片上找到一隻跳蚤,這對圖像的獲取和清晰度的要求當然都非常高。

研究者還發現,小的暗物質暈與超大型暗物質暈的結構非常相似,都是中心緻密週邊稀疏,這也打破了原有的認為它們並不相同的推測。同時也發現暗物質暈並不是完全不可見,它們也可以向外輻射物質,暗物質雲。中心緻密部位的暗物質粒子很可能會相互湮滅,從而產生伽馬輻射暴,未來的天文學觀測很可能會發現這樣的現象。

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