暗物質(zhì)的本質(zhì)是懸而未決的世紀(jì)科學(xué)難題。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授王慧元團(tuán)隊(duì)首次在觀測中發(fā)現(xiàn)彌散矮星系異常高的成團(tuán)性，證實(shí)了宇宙中“暗物質(zhì)暈集聚偏置”現(xiàn)象，并揭示其與矮星系演化及暗物質(zhì)本質(zhì)的深層關(guān)聯(lián)。
該研究為理解星系形成機(jī)制和探索暗物質(zhì)屬性提供了重要觀測依據(jù)，可能將修正冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型。5月21日，研究成果發(fā)表于國際著名科學(xué)雜志《自然》。
《自然》審稿人稱贊該成果是“一個(gè)原創(chuàng)且非常讓人驚訝的觀測結(jié)果”“通過星系成團(tuán)性測試暗物質(zhì)自相互作用是一個(gè)嶄新的嘗試，可能具有持續(xù)的影響”。
用中國水墨畫描述的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)和星系的關(guān)聯(lián)。葉子的莖稈勾勒出暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分布，水珠中映射出矮星系。課題組供圖 觀測到異常的成團(tuán)性模式
“現(xiàn)有的很多觀測數(shù)據(jù)顯示，宇宙中除了看得見的恒星和氣體以外，還有一類物質(zhì)不可見，也就是暗物質(zhì)。它占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的85%。”王慧元向《中國科學(xué)報(bào)》介紹。
宇宙早期，這些微小的暗物質(zhì)粒子通過引力聚集，形成小的暗物質(zhì)團(tuán)塊，被稱為暗物質(zhì)暈。隨后，這些團(tuán)塊合并形成更大的暗物質(zhì)暈，氣體在其中聚集，從而誕生了星系。
有趣的是，科學(xué)家觀測發(fā)現(xiàn)星系并非隨機(jī)分布在宇宙中，而往往是聚集在一起。尤其是致密星系，更喜歡“扎堆”，成團(tuán)性更高。“所謂致密星系，是指相同質(zhì)量情況下，體積小、密度高的星系；體積大、密度低的星系則叫作彌散星系。”王慧元解釋。
矮星系在宇宙中普遍存在、數(shù)量眾多，但由于其亮度小、觀測難，在以往天文觀測研究中容易被忽視。近年來，矮星系中越來越多的特殊現(xiàn)象被觀測到，引起國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)的關(guān)注。
“矮星系分布廣泛，是一個(gè)很好地研究宇宙中物質(zhì)分布的示蹤體；其次，矮星系中的暗物質(zhì)比例較高，其形成和演化主要受暗物質(zhì)主導(dǎo)。因此，矮星系也是一個(gè)很好地研究暗物質(zhì)的載體。”王慧元介紹。
王慧元團(tuán)隊(duì)在分析斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目光學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了矮星系異常的成團(tuán)性模式：彌散矮星系在大尺度上的分布呈現(xiàn)異常高的成團(tuán)性，而致密矮星系的成團(tuán)性較低。
“這與以往基于大質(zhì)量星系樣本所得到的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論完全相反，并且相反的趨勢非常明顯。”長期研究星系形成和演化的王慧元敏銳地意識到，這可能是一個(gè)罕見和珍貴的發(fā)現(xiàn)，暗示著可能存在一種新的物理機(jī)制驅(qū)動矮星系的形成和結(jié)構(gòu)演化。
首次證實(shí)“暗物質(zhì)暈集聚偏置”現(xiàn)象
為了從理論上解釋矮星系異常的成團(tuán)性模式，王慧元團(tuán)隊(duì)利用獨(dú)立發(fā)展的一種宇宙學(xué)模擬方法——ELUCID數(shù)值模擬重構(gòu)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)中精確再現(xiàn)了近鄰宇宙中暗物質(zhì)暈的空間分布及其歷史演化路徑。
基于模擬的理論計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)，這種異常的成團(tuán)性模式與暗物質(zhì)暈的形成時(shí)間，也就是“年齡”密切相關(guān)：彌散矮星系的空間分布模式與年老暗物質(zhì)暈的空間分布模式一致，而致密矮星系的空間分布模式則與年輕的暗物質(zhì)暈分布相符。進(jìn)而，他們很自然地推導(dǎo)出彌散矮星系產(chǎn)生于年老的暗物質(zhì)暈中，而致密矮星系產(chǎn)生于年輕的暗物質(zhì)暈中的結(jié)論。
“這個(gè)推理過程其實(shí)也很好理解。我們知道，星系是生長在暗物質(zhì)暈中。如果暗物質(zhì)暈喜歡聚集，這個(gè)星系自然也就聚集；如果暗物質(zhì)暈分布得很離散，星系也就不聚集了。因此暗物質(zhì)暈的成團(tuán)模式可以用來解釋矮星系的成團(tuán)模式。”王慧元說。
實(shí)際上，20世紀(jì)，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)質(zhì)量越大的暗物質(zhì)暈，成團(tuán)性越強(qiáng)；質(zhì)量越小的暗物質(zhì)暈，成團(tuán)性越弱。隨后，有研究人員通過模擬發(fā)現(xiàn)除了質(zhì)量，“年齡”也影響暗物質(zhì)暈的成團(tuán)性，即“暗暈集聚偏置”現(xiàn)象：相同質(zhì)量的暗物質(zhì)暈，年老的暗物質(zhì)暈成團(tuán)性更強(qiáng)，年輕的暗物質(zhì)暈成團(tuán)性較弱。但長期以來，這一預(yù)言未能在觀測中發(fā)現(xiàn)確鑿的證據(jù)。
“我們團(tuán)隊(duì)借助矮星系這一特殊星系族群，首次為‘暗暈集聚偏置’的理論預(yù)言提供了高可信度觀測支持。”王慧元說。
冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型可能要修正
“年老暗物質(zhì)暈中形成彌散矮星系”僅是團(tuán)隊(duì)基于計(jì)算機(jī)模擬的一種推斷，其背后的物理原因仍需進(jìn)一步分析。
標(biāo)準(zhǔn)冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型成功解釋了大量觀測現(xiàn)象，被學(xué)界普遍接受為主流理論框架。在該模型下，王慧元團(tuán)隊(duì)探討了多種可以產(chǎn)生彌散矮星系的物理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)均給出了和觀測現(xiàn)象顯著不同甚至相反的結(jié)論。
“標(biāo)準(zhǔn)冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型可能存在問題。”王慧元提出。但問題究竟出在哪個(gè)層面，他一時(shí)也沒有頭緒。
一天，王慧元靈機(jī)一動，想到了自相互作用暗物質(zhì)理論模型。這一理論認(rèn)為，暗物質(zhì)粒子之間不僅僅通過引力相互作用，還存在微弱的非引力相互作用。暗物質(zhì)粒子之間會產(chǎn)生碰撞，然后彈開。
借助該模型，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在年老暗物質(zhì)暈中，暗物質(zhì)粒子之間有更多的時(shí)間進(jìn)行碰撞，從而導(dǎo)致更多“熱量”注入暗物質(zhì)暈核心，使其結(jié)構(gòu)膨脹，削弱暗物質(zhì)暈核心區(qū)域的引力場強(qiáng)度。引力一旦降低，物質(zhì)就會開始往外擴(kuò)散，使得這些暗物質(zhì)暈更容易孕育彌散矮星系。相比之下，在年輕暗暈中，這種效應(yīng)較弱，因此更容易形成致密矮星系。
“這一發(fā)現(xiàn)至少提供了一個(gè)比較顯著的證據(jù)，說明在宇宙的黑暗處流動的物質(zhì)可能不是大家傳統(tǒng)上認(rèn)為的冷暗物質(zhì)，而是相互作用暗物質(zhì)。”王慧元說，這意味著標(biāo)準(zhǔn)冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)框架可能要做修正。
“近期，天文學(xué)領(lǐng)域又有一個(gè)全新數(shù)據(jù)開始釋放，我們將會得到更豐富的研究樣本。原則上，我們可以根據(jù)星系的不同屬性，做更細(xì)致的研究。”王慧元建議，不放棄任何一個(gè)微小的異常觀測現(xiàn)象，可能會有新的收獲。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08965-5
本文鏈接：http://www.020gz.com.cn/news-8-4534-0.html矮星系的“蛛絲馬跡”，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)暗物質(zhì)模型
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